เทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟเชิงแสง

ควอนตัมไมโครเวฟออปติคอลเทคโนโลยี
เทคโนโลยีไมโครเวฟเชิงแสงไมโครเวฟโฟโตนิกส์ได้กลายเป็นสาขาที่มีศักยภาพสูง โดยผสมผสานข้อดีของเทคโนโลยีแสงและไมโครเวฟในการประมวลผลสัญญาณ การสื่อสาร การตรวจจับ และด้านอื่นๆ อย่างไรก็ตาม ระบบไมโครเวฟโฟโตนิกส์แบบดั้งเดิมเผชิญกับข้อจำกัดที่สำคัญบางประการ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในแง่ของแบนด์วิดท์และความไว เพื่อเอาชนะความท้าทายเหล่านี้ นักวิจัยจึงเริ่มสำรวจควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์ ซึ่งเป็นสาขาใหม่ที่น่าตื่นเต้นซึ่งผสมผสานแนวคิดของเทคโนโลยีควอนตัมเข้ากับไมโครเวฟโฟโตนิกส์

หลักการพื้นฐานของเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟเชิงแสง
หัวใจสำคัญของเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟออปติกคือการแทนที่เทคโนโลยีออปติกแบบดั้งเดิมโฟโตดีเทคเตอร์ในการเชื่อมโยงโฟตอนไมโครเวฟด้วยโฟโตดีเทคเตอร์แบบโฟตอนเดี่ยวที่มีความไวสูง ทำให้ระบบสามารถทำงานได้ที่ระดับพลังงานแสงต่ำมาก แม้กระทั่งระดับโฟตอนเดี่ยว ในขณะเดียวกันก็อาจเพิ่มแบนด์วิดท์ได้ด้วย
ระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมทั่วไป ได้แก่: 1. แหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยว (เช่น เลเซอร์ที่ลดทอนกำลัง) 2.ตัวปรับสัญญาณอิเล็กโทรออปติก3. ส่วนประกอบสำหรับการเข้ารหัสสัญญาณไมโครเวฟ/RF 4. ส่วนประกอบประมวลผลสัญญาณแสง 5. เครื่องตรวจจับโฟตอนเดี่ยว (เช่น เครื่องตรวจจับนาโนไวร์ตัวนำยิ่งยวด) 6. อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์นับโฟตอนเดี่ยวแบบขึ้นอยู่กับเวลา (TCSPC)
รูปที่ 1 แสดงการเปรียบเทียบระหว่างการเชื่อมต่อโฟตอนไมโครเวฟแบบดั้งเดิมและการเชื่อมต่อโฟตอนไมโครเวฟควอนตัม:

ความแตกต่างที่สำคัญคือการใช้ตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวและโมดูล TCSPC แทนโฟโตไดโอดความเร็วสูง ซึ่งทำให้สามารถตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ ในขณะเดียวกันก็หวังว่าจะขยายแบนด์วิดธ์ให้เกินขีดจำกัดของโฟโตดีเทคเตอร์แบบดั้งเดิม

แผนการตรวจจับโฟตอนเดี่ยว
แผนการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวมีความสำคัญมากสำหรับระบบโฟตอนไมโครเวฟควอนตัม หลักการทำงานมีดังนี้: 1. สัญญาณทริกเกอร์แบบเป็นคาบที่ซิงโครไนซ์กับสัญญาณที่วัดได้จะถูกส่งไปยังโมดูล TCSPC 2. ตัวตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะส่งพัลส์ชุดหนึ่งออกมา ซึ่งแสดงถึงโฟตอนที่ตรวจพบ 3. โมดูล TCSPC จะวัดความแตกต่างของเวลาKระหว่างสัญญาณทริกเกอร์และโฟตอนที่ตรวจพบแต่ละตัว 4. หลังจากวนรอบทริกเกอร์หลายรอบ จะมีการสร้างฮิสโตแกรมเวลาการตรวจจับขึ้น 5. ฮิสโตแกรมสามารถสร้างรูปคลื่นของสัญญาณดั้งเดิมขึ้นใหม่ได้ ในทางคณิตศาสตร์ สามารถแสดงได้ว่าความน่าจะเป็นของการตรวจจับโฟตอน ณ เวลาใดเวลาหนึ่งเป็นสัดส่วนกับกำลังแสง ณ เวลานั้น ดังนั้น ฮิสโตแกรมของเวลาการตรวจจับจึงสามารถแสดงรูปคลื่นของสัญญาณที่วัดได้ได้อย่างแม่นยำ

ข้อได้เปรียบที่สำคัญของเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟออปติก
เมื่อเปรียบเทียบกับระบบไมโครเวฟออปติคอลแบบดั้งเดิม ไมโครเวฟโฟโตนิกส์ควอนตัมมีข้อได้เปรียบที่สำคัญหลายประการ: 1. ความไวสูงมาก: ตรวจจับสัญญาณที่อ่อนมากได้ถึงระดับโฟตอนเดี่ยว 2. แบนด์วิดท์เพิ่มขึ้น: ไม่จำกัดด้วยแบนด์วิดท์ของโฟโตดีเทคเตอร์ ได้รับผลกระทบเฉพาะจากความคลาดเคลื่อนของเวลาในการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวเท่านั้น 3. ป้องกันการรบกวนได้ดีขึ้น: การสร้างภาพ TCSPC ใหม่สามารถกรองสัญญาณที่ไม่ตรงกับทริกเกอร์ได้ 4. สัญญาณรบกวนต่ำลง: หลีกเลี่ยงสัญญาณรบกวนที่เกิดจากการตรวจจับและการขยายสัญญาณด้วยโฟโตอิเล็กทริกแบบดั้งเดิม