کاربرد فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی

کاربرد کوانتومفناوری فوتونیک مایکروویو

تشخیص سیگنال ضعیف
یکی از امیدوارکننده‌ترین کاربردهای فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی، تشخیص سیگنال‌های مایکروویو/RF بسیار ضعیف است. با استفاده از تشخیص تک فوتون، این سیستم‌ها بسیار حساس‌تر از روش‌های سنتی هستند. به عنوان مثال، محققان یک سیستم فوتونیک مایکروویو کوانتومی را نشان داده‌اند که می‌تواند سیگنال‌هایی به کوچکی -۱۱۲.۸ dBm را بدون هیچ گونه تقویت الکترونیکی تشخیص دهد. این حساسیت فوق‌العاده بالا، آن را برای کاربردهایی مانند ارتباطات اعماق فضا ایده‌آل می‌کند.

فوتونیک مایکروویوپردازش سیگنال
فوتونیک مایکروویو کوانتومی همچنین توابع پردازش سیگنال با پهنای باند بالا مانند تغییر فاز و فیلتر کردن را پیاده‌سازی می‌کند. محققان با استفاده از یک عنصر نوری پراکنده و تنظیم طول موج نور، این واقعیت را نشان دادند که فاز RF تا 8 گیگاهرتز تغییر می‌کند و پهنای باند فیلتر RF را تا 8 گیگاهرتز افزایش می‌دهد. نکته مهم این است که همه این ویژگی‌ها با استفاده از الکترونیک 3 گیگاهرتز به دست می‌آیند، که نشان می‌دهد عملکرد از محدودیت‌های پهنای باند سنتی فراتر می‌رود.

نگاشت فرکانس به زمان غیرمحلی
یکی از قابلیت‌های جالب توجه ناشی از درهم‌تنیدگی کوانتومی، نگاشت فرکانس غیرموضعی به زمان است. این تکنیک می‌تواند طیف یک منبع تک فوتونی پمپ‌شده با موج پیوسته را به یک حوزه زمانی در یک مکان دوردست نگاشت کند. این سیستم از جفت فوتون‌های درهم‌تنیده استفاده می‌کند که در آن یک پرتو از یک فیلتر طیفی و پرتو دیگر از یک عنصر پراکنده‌کننده عبور می‌کند. به دلیل وابستگی فرکانسی فوتون‌های درهم‌تنیده، حالت فیلتر طیفی به صورت غیرموضعی به حوزه زمان نگاشت می‌شود.
شکل ۱ این مفهوم را نشان می‌دهد:

این روش می‌تواند اندازه‌گیری طیفی انعطاف‌پذیری را بدون دستکاری مستقیم منبع نور اندازه‌گیری شده انجام دهد.

حسگری فشرده
کوانتومینوری مایکروویواین فناوری همچنین روش جدیدی برای حسگری فشرده سیگنال‌های پهن‌باند ارائه می‌دهد. محققان با استفاده از تصادفی بودن ذاتی در تشخیص کوانتومی، یک سیستم حسگری فشرده کوانتومی را نشان داده‌اند که قادر به بازیابیفرکانس رادیویی ۱۰ گیگاهرتزطیف‌ها. این سیستم سیگنال RF را به حالت قطبش فوتون همدوس مدوله می‌کند. سپس تشخیص تک فوتون یک ماتریس اندازه‌گیری تصادفی طبیعی برای حسگری فشرده فراهم می‌کند. به این ترتیب، سیگنال پهن باند را می‌توان با نرخ نمونه‌برداری یارنیکوئیست بازیابی کرد.

توزیع کلید کوانتومی
علاوه بر افزایش کاربردهای فوتونیک مایکروویو سنتی، فناوری کوانتومی می‌تواند سیستم‌های ارتباط کوانتومی مانند توزیع کلید کوانتومی (QKD) را نیز بهبود بخشد. محققان با مالتی پلکس کردن زیرحامل‌های فوتون‌های مایکروویو بر روی یک سیستم توزیع کلید کوانتومی (QKD)، توزیع کلید کوانتومی چندگانه زیرحامل (SCM-QKD) را نشان دادند. این امر امکان انتقال چندین کلید کوانتومی مستقل را بر روی یک طول موج واحد از نور فراهم می‌کند و در نتیجه راندمان طیفی را افزایش می‌دهد.
شکل 2 مفهوم و نتایج تجربی سیستم SCM-QKD دوحامله را نشان می‌دهد:

اگرچه فناوری فوتونیک مایکروویو کوانتومی امیدوارکننده است، اما هنوز چالش‌هایی وجود دارد:
۱. قابلیت محدود در زمان واقعی: سیستم فعلی برای بازسازی سیگنال به زمان انباشت زیادی نیاز دارد.
۲. دشواری در برخورد با سیگنال‌های پشت سر هم/تکی: ماهیت آماری بازسازی، کاربرد آن را در سیگنال‌های غیرتکراری محدود می‌کند.
۳. تبدیل به یک شکل موج مایکروویو واقعی: برای تبدیل هیستوگرام بازسازی‌شده به یک شکل موج قابل استفاده، مراحل اضافی مورد نیاز است.
۴. ویژگی‌های دستگاه: مطالعه بیشتر رفتار دستگاه‌های فوتونی کوانتومی و مایکروویو در سیستم‌های ترکیبی مورد نیاز است.
۵. یکپارچه‌سازی: امروزه اکثر سیستم‌ها از اجزای گسسته حجیم استفاده می‌کنند.

برای پرداختن به این چالش‌ها و پیشرفت در این حوزه، تعدادی از مسیرهای تحقیقاتی امیدوارکننده در حال ظهور هستند:
۱. توسعه روش‌های جدید برای پردازش سیگنال در زمان واقعی و تشخیص تکی.
۲. بررسی کاربردهای جدیدی که از حساسیت بالا استفاده می‌کنند، مانند اندازه‌گیری میکروسفر مایع.
۳. پیگیری تحقق فوتون‌ها و الکترون‌های مجتمع برای کاهش اندازه و پیچیدگی.
۴. برهمکنش بهبود یافته نور-ماده را در مدارهای فوتونیک مایکروویو کوانتومی مجتمع مطالعه کنید.
۵. فناوری فوتون مایکروویو کوانتومی را با سایر فناوری‌های کوانتومی نوظهور ترکیب کنید.