การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัม

การประยุกต์ควอนตัมเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

การตรวจจับสัญญาณอ่อน
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์ที่มีแนวโน้มมากที่สุดอย่างหนึ่งคือการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟ/RF ที่อ่อนมาก ด้วยการใช้การตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ระบบเหล่านี้จึงมีความไวมากกว่าวิธีการแบบเดิมมาก ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้สาธิตระบบโฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัมที่สามารถตรวจจับสัญญาณที่ต่ำถึง -112.8 dBm โดยไม่ต้องมีการขยายสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ใดๆ ความไวสูงพิเศษนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งาน เช่น การสื่อสารในห้วงอวกาศ

โฟโตนิกส์ไมโครเวฟการประมวลผลสัญญาณ
โฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัมยังใช้ฟังก์ชันการประมวลผลสัญญาณแบนด์วิธสูง เช่น การเปลี่ยนเฟสและการกรอง นักวิจัยได้สาธิตข้อเท็จจริงที่ว่าเฟส RF เปลี่ยนความถี่ได้ถึง 8 GHz และแบนด์วิธกรอง RF ได้ถึง 8 GHz โดยใช้องค์ประกอบแสงแบบกระจายตัวและปรับความยาวคลื่นของแสง ที่สำคัญ คุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดทำได้โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ 3 GHz ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพเกินขีดจำกัดแบนด์วิดท์แบบเดิม

การทำแผนที่ความถี่ที่ไม่ใช่ท้องถิ่นกับเวลา
ความสามารถที่น่าสนใจประการหนึ่งที่เกิดจากพัวพันควอนตัมคือการแมปความถี่ที่ไม่ใช่ท้องถิ่นตามเวลา เทคนิคนี้สามารถจับคู่สเปกตรัมของแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่ถูกปั๊มด้วยคลื่นต่อเนื่องกับโดเมนเวลาในสถานที่ห่างไกล ระบบใช้โฟตอนคู่ที่พันกันโดยลำแสงหนึ่งผ่านตัวกรองสเปกตรัม และอีกอันผ่านองค์ประกอบกระจายตัว เนื่องจากการพึ่งพาความถี่ของโฟตอนที่พันกัน โหมดการกรองสเปกตรัมจึงถูกแมปโดยไม่ใช่ในเครื่องกับโดเมนเวลา
รูปที่ 1 แสดงแนวคิดนี้:

วิธีนี้สามารถบรรลุการวัดสเปกตรัมที่ยืดหยุ่นโดยไม่ต้องจัดการกับแหล่งกำเนิดแสงที่วัดได้โดยตรง

การตรวจจับที่ถูกบีบอัด
ควอนตัมแสงไมโครเวฟเทคโนโลยียังให้วิธีการใหม่สำหรับการตรวจจับสัญญาณบรอดแบนด์ที่ถูกบีบอัด นักวิจัยได้สาธิตระบบการตรวจจับแบบบีบอัดควอนตัมที่สามารถกู้คืนได้โดยใช้การสุ่มที่มีอยู่ในการตรวจจับควอนตัมคลื่นความถี่วิทยุ 10 กิกะเฮิรตซ์สเปกตรัม ระบบจะปรับสัญญาณ RF ให้เป็นสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนที่ต่อเนื่องกัน จากนั้นการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะให้เมทริกซ์การวัดแบบสุ่มตามธรรมชาติสำหรับการตรวจจับแบบบีบอัด ด้วยวิธีนี้ สัญญาณบรอดแบนด์จึงสามารถเรียกคืนได้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่าง Yarnyquist

การกระจายคีย์ควอนตัม
นอกเหนือจากการเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานโฟโตนิกไมโครเวฟแบบดั้งเดิมแล้ว เทคโนโลยีควอนตัมยังสามารถปรับปรุงระบบการสื่อสารควอนตัม เช่น การกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) นักวิจัยได้สาธิตการกระจายคีย์ควอนตัม subcarrier multiplex (SCM-QKD) โดยการมัลติเพล็กซ์โฟตอนไมโครเวฟ subcarrier ลงบนระบบการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ซึ่งช่วยให้สามารถส่งควอนตัมคีย์อิสระหลายตัวผ่านความยาวคลื่นแสงเดียวได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพสเปกตรัม
รูปที่ 2 แสดงแนวคิดและผลการทดลองของระบบ SCM-QKD แบบพาหะคู่:

แม้ว่าเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมมีแนวโน้มที่ดี แต่ก็ยังมีความท้าทายบางประการ:
1. ความสามารถแบบเรียลไทม์ที่จำกัด: ระบบปัจจุบันต้องใช้เวลาสะสมมากในการสร้างสัญญาณใหม่
2. ความยากในการจัดการกับสัญญาณระเบิด/สัญญาณเดี่ยว: ลักษณะทางสถิติของการสร้างใหม่จำกัดความสามารถในการบังคับใช้กับสัญญาณที่ไม่เกิดซ้ำ
3. แปลงเป็นรูปแบบคลื่นไมโครเวฟจริง: จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมในการแปลงฮิสโตแกรมที่สร้างขึ้นใหม่ให้เป็นรูปคลื่นที่ใช้งานได้
4. คุณลักษณะของอุปกรณ์: จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของอุปกรณ์ควอนตัมและไมโครเวฟโฟโตนิกในระบบรวม
5. การบูรณาการ: ระบบส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ส่วนประกอบแยกชิ้นขนาดใหญ่

เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาสาขานี้ จึงมีแนวทางการวิจัยที่มีแนวโน้มหลายประการเกิดขึ้น:
1. พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์และการตรวจจับเดี่ยว
2. สำรวจการใช้งานใหม่ๆ ที่ใช้ความไวสูง เช่น การวัดไมโครสเฟียร์ของเหลว
3. ดำเนินการให้เกิดโฟตอนและอิเล็กตรอนแบบบูรณาการเพื่อลดขนาดและความซับซ้อน
4. ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่เพิ่มขึ้นในวงจรโฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัมแบบบูรณาการ
5. รวมเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมที่เกิดขึ้นใหม่อื่นๆ