การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัม

การประยุกต์ใช้ควอนตัมเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

การตรวจจับสัญญาณอ่อน
หนึ่งในการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมที่มีแนวโน้มมากที่สุดคือการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟ/RF ที่อ่อนมาก การใช้การตรวจจับโฟตอนเดี่ยวทำให้ระบบเหล่านี้มีความไวสูงกว่าวิธีการดั้งเดิมมาก ยกตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้สาธิตระบบโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมที่สามารถตรวจจับสัญญาณที่ต่ำถึง -112.8 dBm โดยไม่ต้องมีการขยายสัญญาณอิเล็กทรอนิกส์ ความไวที่สูงมากนี้ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งาน เช่น การสื่อสารในอวกาศลึก

โฟโตนิกส์ไมโครเวฟการประมวลผลสัญญาณ
โฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมยังใช้ฟังก์ชันการประมวลผลสัญญาณแบนด์วิดท์สูง เช่น การเลื่อนเฟสและการกรองสัญญาณ ด้วยการใช้องค์ประกอบออปติคัลแบบกระจายและการปรับความยาวคลื่นของแสง นักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงข้อเท็จจริงที่ว่าการเลื่อนเฟส RF สูงถึง 8 GHz แบนด์วิดท์การกรอง RF สูงถึง 8 GHz ที่สำคัญ คุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดทำได้โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ความถี่ 3 GHz ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพเหนือกว่าขีดจำกัดแบนด์วิดท์แบบเดิม

การแมปความถี่ที่ไม่ใช่ท้องถิ่นไปยังเวลา
ความสามารถที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่เกิดจากควอนตัมเอนแทงเกิลเมนต์คือการแมปความถี่นอกท้องถิ่นกับเวลา เทคนิคนี้สามารถแมปสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่สูบด้วยคลื่นต่อเนื่องไปยังโดเมนเวลา ณ สถานที่ห่างไกล ระบบนี้ใช้คู่โฟตอนที่พันกัน ซึ่งลำแสงหนึ่งผ่านตัวกรองสเปกตรัม และอีกลำแสงหนึ่งผ่านองค์ประกอบแบบกระจาย เนื่องจากโฟตอนที่พันกันขึ้นอยู่กับความถี่ โหมดการกรองสเปกตรัมจึงถูกแมปแบบไม่เฉพาะท้องถิ่นไปยังโดเมนเวลา
รูปที่ 1 แสดงให้เห็นแนวคิดนี้:

วิธีนี้สามารถวัดสเปกตรัมได้อย่างยืดหยุ่นโดยไม่ต้องจัดการแหล่งกำเนิดแสงที่วัดได้โดยตรง

การตรวจจับแบบบีบอัด
ควอนตัมไมโครเวฟออปติคัลเทคโนโลยีนี้ยังนำเสนอวิธีการใหม่สำหรับการตรวจจับสัญญาณบรอดแบนด์แบบบีบอัด นักวิจัยได้สาธิตระบบการตรวจจับแบบบีบอัดควอนตัมที่สามารถกู้คืนข้อมูลได้ โดยใช้ความสุ่มที่มีอยู่ในการตรวจจับแบบควอนตัมคลื่นความถี่วิทยุ 10 กิกะเฮิรตซ์สเปกตรัม ระบบจะปรับสัญญาณ RF ให้เข้ากับสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนที่สอดคล้องกัน การตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะสร้างเมทริกซ์การวัดแบบสุ่มตามธรรมชาติสำหรับการตรวจจับแบบบีบอัด ด้วยวิธีนี้ สัญญาณบรอดแบนด์จึงสามารถเรียกคืนได้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างแบบ Yarnyquist

การกระจายคีย์ควอนตัม
นอกจากการยกระดับการประยุกต์ใช้โฟตอนิกส์ไมโครเวฟแบบดั้งเดิมแล้ว เทคโนโลยีควอนตัมยังสามารถพัฒนาระบบการสื่อสารควอนตัม เช่น การกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) ได้อีกด้วย นักวิจัยได้สาธิตการกระจายคีย์ควอนตัมแบบมัลติเพล็กซ์ซับแคริเออร์ (SCM-QKD) โดยการมัลติเพล็กซ์โฟตอนไมโครเวฟแบบซับแคริเออร์เข้ากับระบบการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) วิธีนี้ช่วยให้สามารถส่งสัญญาณคีย์ควอนตัมอิสระหลายตัวผ่านแสงที่มีความยาวคลื่นเดียว ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของสเปกตรัม
รูปที่ 2 แสดงแนวคิดและผลการทดลองของระบบ SCM-QKD แบบพาหะคู่:

แม้ว่าเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟควอนตัมจะมีแนวโน้มที่ดี แต่ก็ยังมีความท้าทายบางประการ:
1. ความสามารถแบบเรียลไทม์มีจำกัด: ระบบปัจจุบันต้องใช้เวลาสะสมมากในการสร้างสัญญาณขึ้นมาใหม่
2. ความยากลำบากในการจัดการกับสัญญาณระเบิด/สัญญาณเดี่ยว: ลักษณะทางสถิติของการสร้างใหม่จำกัดการนำไปใช้งานกับสัญญาณที่ไม่เกิดการซ้ำกัน
3. แปลงเป็นรูปคลื่นไมโครเวฟจริง: จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมในการแปลงฮิสโทแกรมที่สร้างขึ้นใหม่เป็นรูปคลื่นที่ใช้งานได้
4. คุณลักษณะของอุปกรณ์: จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของอุปกรณ์โฟตอนิกควอนตัมและไมโครเวฟในระบบรวม
5. การรวมระบบ: ระบบส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ส่วนประกอบแยกจากกันที่มีขนาดใหญ่

เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาสาขานี้ ทิศทางการวิจัยที่มีแนวโน้มดีหลายประการจึงเกิดขึ้น:
1. พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์และการตรวจจับเดี่ยว
2. สำรวจแอปพลิเคชันใหม่ ๆ ที่ใช้ความไวสูง เช่น การวัดไมโครสเฟียร์ของเหลว
3. มุ่งสู่การบูรณาการโฟตอนและอิเล็กตรอนเพื่อลดขนาดและความซับซ้อน
4. ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่เพิ่มขึ้นในวงจรโฟโตนิกไมโครเวฟควอนตัมแบบบูรณาการ
5. รวมเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ๆ ที่กำลังเกิดขึ้น