เทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟควอนตัม

ควอนตัมไมโครเวฟออปติคอลเทคโนโลยี
เทคโนโลยีออปติคอลไมโครเวฟได้กลายเป็นสาขาที่ทรงประสิทธิภาพ โดยผสมผสานข้อดีของเทคโนโลยีออปติคัลและไมโครเวฟในการประมวลผลสัญญาณ การสื่อสาร การตรวจจับ และด้านอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟแบบเดิมยังเผชิญกับข้อจำกัดสำคัญบางประการ โดยเฉพาะในแง่ของแบนด์วิดท์และความไว เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ นักวิจัยกำลังเริ่มสำรวจโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัม ซึ่งเป็นสาขาใหม่ที่น่าตื่นเต้นที่ผสมผสานแนวคิดของเทคโนโลยีควอนตัมเข้ากับโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

พื้นฐานของเทคโนโลยีออปติกไมโครเวฟควอนตัม
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีออปติกไมโครเวฟควอนตัมคือการแทนที่เทคโนโลยีออปติกแบบดั้งเดิมเครื่องตรวจจับภาพในลิงค์โฟตอนไมโครเวฟด้วยเครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวที่มีความไวสูง ซึ่งช่วยให้ระบบทำงานที่ระดับพลังงานออปติคอลต่ำมาก แม้จะถึงระดับโฟตอนเดี่ยวก็ตาม ขณะเดียวกันก็อาจเพิ่มแบนด์วิดท์ได้ด้วย
ระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมทั่วไปประกอบด้วย: 1. แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว (เช่น เลเซอร์ลดทอน 2.เครื่องควบคุมแสงไฟฟ้าสำหรับการเข้ารหัสสัญญาณไมโครเวฟ/RF 3. ส่วนประกอบการประมวลผลสัญญาณออปติคอล 4. เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว (เช่น เครื่องตรวจจับสายนาโนตัวนำยิ่งยวด) 5. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์การนับโฟตอนเดี่ยวแบบขึ้นกับเวลา (TCSPC)
รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างลิงก์โฟตอนไมโครเวฟแบบดั้งเดิมและลิงก์โฟตอนไมโครเวฟควอนตัม:

ความแตกต่างที่สำคัญคือการใช้เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวและโมดูล TCSPC แทนโฟโตไดโอดความเร็วสูง ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ และหวังว่าจะสามารถขยายแบนด์วิดท์ให้เกินขีดจำกัดของเครื่องตรวจจับโฟโตแบบเดิมได้

รูปแบบการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว
รูปแบบการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวมีความสำคัญมากสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัม หลักการทำงานมีดังนี้: 1. สัญญาณทริกเกอร์เป็นระยะที่ซิงโครไนซ์กับสัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งไปยังโมดูล TCSPC 2. เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะส่งพัลส์ชุดหนึ่งซึ่งแสดงถึงโฟตอนที่ตรวจพบ 3. โมดูล TCSPC วัดความแตกต่างของเวลาระหว่างสัญญาณทริกเกอร์และโฟตอนที่ตรวจพบแต่ละตัว 4. หลังจากลูปทริกเกอร์หลายรอบ ฮิสโทแกรมเวลาการตรวจจับจะถูกสร้างขึ้น 5. ฮิสโทแกรมสามารถสร้างรูปคลื่นของสัญญาณเดิมขึ้นมาใหม่ได้ ทางคณิตศาสตร์ สามารถแสดงให้เห็นได้ว่าความน่าจะเป็นในการตรวจจับโฟตอนในเวลาที่กำหนดนั้นเป็นสัดส่วนกับกำลังแสงในเวลานั้น ดังนั้น ฮิสโทแกรมของเวลาการตรวจจับจึงสามารถแสดงรูปคลื่นของสัญญาณที่วัดได้อย่างแม่นยำ

ข้อได้เปรียบหลักของเทคโนโลยีออปติคัลไมโครเวฟควอนตัม
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบออปติกไมโครเวฟแบบเดิม โฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมมีข้อได้เปรียบสำคัญหลายประการ: 1. ความไวสูงมาก: ตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ถึงระดับโฟตอนเดี่ยว 2. เพิ่มแบนด์วิดท์: ไม่ถูกจำกัดโดยแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทกเตอร์ แต่ได้รับผลกระทบจากจิตเตอร์เวลาของโฟตอนเดี่ยวเท่านั้น 3. ป้องกันการรบกวนที่เพิ่มขึ้น: การสร้าง TCSPC ใหม่สามารถกรองสัญญาณที่ไม่ได้ล็อกกับทริกเกอร์ได้ 4. เสียงรบกวนต่ำ: หลีกเลี่ยงเสียงรบกวนที่เกิดจากการตรวจจับและการขยายโฟโตอิเล็กทริกแบบเดิม