การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัม

การประยุกต์ใช้ควอนตัมเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

การตรวจจับสัญญาณอ่อน
การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟตอนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมที่มีแนวโน้มดีที่สุดอย่างหนึ่งคือการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟ/RF ที่อ่อนมาก โดยการใช้การตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ระบบเหล่านี้จึงมีความไวมากกว่าวิธีการดั้งเดิมมาก ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้สาธิตระบบโฟตอนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมที่สามารถตรวจจับสัญญาณที่ต่ำถึง -112.8 dBm โดยไม่ต้องมีการขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ความไวที่สูงมากนี้จึงเหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น การสื่อสารในอวกาศลึก

โฟโตนิกส์ไมโครเวฟการประมวลผลสัญญาณ
โฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมยังใช้ฟังก์ชันการประมวลผลสัญญาณแบนด์วิดท์สูง เช่น การเลื่อนเฟสและการกรอง โดยการใช้องค์ประกอบออปติกแบบกระจายและปรับความยาวคลื่นของแสง นักวิจัยได้สาธิตข้อเท็จจริงที่ว่าการเลื่อนเฟส RF สูงถึง 8 GHz แบนด์วิดท์การกรอง RF สูงถึง 8 GHz ที่สำคัญ คุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดทำได้โดยใช้ระบบอิเล็กทรอนิกส์ 3 GHz ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพเกินขีดจำกัดแบนด์วิดท์แบบเดิม

การแมปความถี่นอกพื้นที่ไปยังเวลา
ความสามารถที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่เกิดจากพันธสัญญาควอนตัมคือการแมปความถี่นอกท้องถิ่นไปยังเวลา เทคนิคนี้สามารถแมปสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่สูบด้วยคลื่นต่อเนื่องไปยังโดเมนเวลาในสถานที่ห่างไกล ระบบนี้ใช้คู่โฟตอนที่พันกันซึ่งลำแสงหนึ่งจะผ่านตัวกรองสเปกตรัมและอีกอันจะผ่านองค์ประกอบที่กระจัดกระจาย เนื่องจากความถี่ของโฟตอนที่พันกันขึ้นอยู่กับความถี่ โหมดการกรองสเปกตรัมจึงถูกแมปนอกท้องถิ่นไปยังโดเมนเวลา
รูปที่ 1 แสดงให้เห็นแนวคิดนี้:

วิธีนี้สามารถวัดสเปกตรัมได้อย่างยืดหยุ่นโดยไม่ต้องจัดการแหล่งกำเนิดแสงที่วัดได้โดยตรง

การรับรู้แบบบีบอัด
ควอนตัมไมโครเวฟออปติคอลเทคโนโลยีนี้ยังนำเสนอวิธีการใหม่สำหรับการตรวจจับสัญญาณบรอดแบนด์แบบบีบอัด โดยใช้ความสุ่มที่มีอยู่ในการตรวจจับแบบควอนตัม นักวิจัยได้สาธิตระบบการตรวจจับแบบบีบอัดแบบควอนตัมที่สามารถกู้คืนได้คลื่นวิทยุ 10 กิกะเฮิรตซ์สเปกตรัม ระบบจะปรับสัญญาณ RF ให้เข้ากับสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนที่สอดคล้องกัน การตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะสร้างเมทริกซ์การวัดแบบสุ่มตามธรรมชาติสำหรับการตรวจจับแบบบีบอัด ด้วยวิธีนี้ สัญญาณบรอดแบนด์จึงสามารถคืนค่าได้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างของ Yarnyquist

การกระจายคีย์ควอนตัม
นอกเหนือจากการปรับปรุงการใช้งานโฟตอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิมแล้ว เทคโนโลยีควอนตัมยังสามารถปรับปรุงระบบการสื่อสารควอนตัม เช่น การแจกแจงคีย์ควอนตัม (QKD) ได้อีกด้วย นักวิจัยได้สาธิตการแจกแจงคีย์ควอนตัมแบบมัลติเพล็กซ์ซับแคริเออร์ (SCM-QKD) โดยการมัลติเพล็กซ์โฟตอนไมโครเวฟซับแคริเออร์ไปยังระบบการแจกแจงคีย์ควอนตัม (QKD) วิธีนี้ทำให้สามารถส่งคีย์ควอนตัมอิสระหลายตัวผ่านแสงที่มีความยาวคลื่นเดียวได้ จึงเพิ่มประสิทธิภาพของสเปกตรัมได้
รูปที่ 2 แสดงให้เห็นแนวคิดและผลการทดลองของระบบ SCM-QKD แบบพาหะคู่:

แม้ว่าเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมจะมีแนวโน้มที่ดี แต่ก็ยังมีความท้าทายบางประการ:
1. ความสามารถแบบเรียลไทม์จำกัด: ระบบปัจจุบันต้องใช้เวลาสะสมมากเพื่อสร้างสัญญาณขึ้นมาใหม่
2. ความยากลำบากในการจัดการกับสัญญาณระเบิด/สัญญาณเดี่ยว: ลักษณะทางสถิติของการสร้างใหม่จำกัดการนำไปใช้กับสัญญาณที่ไม่เกิดซ้ำ
3. แปลงเป็นรูปคลื่นไมโครเวฟจริง: จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมในการแปลงฮิสโทแกรมที่สร้างขึ้นใหม่เป็นรูปคลื่นที่สามารถใช้งานได้
4. คุณลักษณะของอุปกรณ์: จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของอุปกรณ์โฟตอนิกควอนตัมและไมโครเวฟในระบบรวม
5. การรวมระบบ: ในปัจจุบันระบบส่วนใหญ่ใช้ส่วนประกอบแยกชิ้นที่มีขนาดใหญ่

เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาสาขานี้ แนวทางการวิจัยที่มีแนวโน้มดีหลายประการจึงเกิดขึ้น:
1. พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์และการตรวจจับเดี่ยว
2. สำรวจแอปพลิเคชันใหม่ ๆ ที่ใช้ความไวสูง เช่น การวัดไมโครสเฟียร์ของเหลว
3. มุ่งมั่นในการบูรณาการโฟตอนและอิเล็กตรอนเพื่อลดขนาดและความซับซ้อน
4. ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่ปรับปรุงในวงจรโฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัมเชิงบูรณาการ
5. รวมเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ๆ ที่กำลังเกิดขึ้น