การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์

การประยุกต์ใช้ควอนตัมเทคโนโลยีไมโครเวฟโฟโตนิกส์

การตรวจจับสัญญาณอ่อนแอ
หนึ่งในแอพพลิเคชั่นที่มีแนวโน้มมากที่สุดของเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์คือการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟ/RF ที่อ่อนแอมาก ด้วยการใช้การตรวจจับโฟตอนเดี่ยวระบบเหล่านี้มีความไวมากกว่าวิธีดั้งเดิม ตัวอย่างเช่นนักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงระบบโทนิคควอนตัมไมโครเวฟที่สามารถตรวจจับสัญญาณต่ำถึง -112.8 dBm โดยไม่ต้องขยายอิเล็กทรอนิกส์ ความไวสูงเป็นพิเศษนี้ทำให้เหมาะสำหรับการใช้งานเช่นการสื่อสารในอวกาศลึก

โฟโตนิกไมโครเวฟการประมวลผลสัญญาณ
ควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์ยังใช้ฟังก์ชั่นการประมวลผลสัญญาณแบนด์วิดท์สูงเช่นการเปลี่ยนเฟสและการกรอง ด้วยการใช้องค์ประกอบออพติคอลแบบกระจายและปรับความยาวคลื่นของแสงนักวิจัยแสดงให้เห็นถึงความจริงที่ว่าเฟส RF จะเปลี่ยนแบนด์วิดท์การกรอง RF RF สูงถึง 8 GHz สูงถึง 8 GHz ที่สำคัญคุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดทำได้โดยใช้ 3 GHz Electronics ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพเกินขีด จำกัด แบนด์วิดท์แบบดั้งเดิม

การทำแผนที่ความถี่ที่ไม่ใช่ท้องถิ่น
ความสามารถที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่เกิดจากการพัวพันควอนตัมคือการทำแผนที่ของความถี่ที่ไม่ใช่ท้องถิ่นต่อเวลา เทคนิคนี้สามารถแมปสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดโฟตอนเดียวที่สูบคลื่นได้อย่างต่อเนื่องกับโดเมนเวลาในตำแหน่งระยะไกล ระบบใช้คู่โฟตอนที่พันกันซึ่งลำแสงหนึ่งผ่านผ่านตัวกรองสเปกตรัมและอื่น ๆ ผ่านองค์ประกอบการกระจายตัว เนื่องจากการพึ่งพาความถี่ของโฟตอนที่พาดพิงถึงโหมดการกรองสเปกตรัมจะถูกแมปไม่ได้อยู่กับโดเมนเวลา
รูปที่ 1 แสดงแนวคิดนี้:

วิธีนี้สามารถบรรลุการวัดสเปกตรัมที่ยืดหยุ่นได้โดยไม่ต้องจัดการกับแหล่งกำเนิดแสงที่วัดได้โดยตรง

การตรวจจับการบีบอัด
ควอนตัมออปติคัลไมโครเวฟเทคโนโลยียังให้วิธีการใหม่สำหรับการตรวจจับสัญญาณบรอดแบนด์บีบอัด การใช้การสุ่มโดยธรรมชาติในการตรวจจับควอนตัมนักวิจัยได้แสดงให้เห็นถึงระบบตรวจจับควอนตัมบีบอัดที่สามารถกู้คืนได้10 GHz RFสเปกตรัม ระบบปรับเปลี่ยนสัญญาณ RF ให้เข้ากับสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนที่สอดคล้องกัน การตรวจจับโฟตอนเดียวจากนั้นให้เมทริกซ์การวัดแบบสุ่มตามธรรมชาติสำหรับการตรวจจับการบีบอัด ด้วยวิธีนี้สัญญาณบรอดแบนด์สามารถกู้คืนได้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่าง Yarnyquist

การกระจายคีย์ควอนตัม
นอกเหนือจากการปรับปรุงแอพพลิเคชั่นโทนิคไมโครเวฟแบบดั้งเดิมแล้วเทคโนโลยีควอนตัมยังสามารถปรับปรุงระบบการสื่อสารควอนตัมเช่นการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงการแจกแจงคีย์ควอนตัมมัลติเพล็กซ์ (SCM-QKD) โดยมัลติเพล็กซิ่งโฟตอนย่อย subcarrier ลงในระบบการกระจายคีย์ควอนตัม (QKD) สิ่งนี้จะช่วยให้ปุ่มควอนตัมอิสระหลายปุ่มสามารถส่งผ่านความยาวคลื่นของแสงเดียวซึ่งจะเป็นการเพิ่มประสิทธิภาพของสเปกตรัม
รูปที่ 2 แสดงแนวคิดและผลการทดลองของระบบ SCM-QKD แบบคู่ผู้ให้บริการ:

แม้ว่าเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์จะมีแนวโน้ม แต่ก็ยังมีความท้าทายอยู่บ้าง:
1. ความสามารถตามเวลาจริงที่ จำกัด : ระบบปัจจุบันต้องใช้เวลาสะสมเป็นจำนวนมากในการสร้างสัญญาณใหม่
2. ความยากลำบากในการจัดการกับสัญญาณ Burst/Single: ลักษณะทางสถิติของการสร้างใหม่ จำกัด การบังคับใช้กับสัญญาณที่ไม่ใช่การทำซ้ำ
3. แปลงเป็นรูปคลื่นไมโครเวฟจริง: จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่อแปลงฮิสโตแกรมที่สร้างขึ้นใหม่ให้เป็นรูปคลื่นที่ใช้งานได้
4. ลักษณะของอุปกรณ์: การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของควอนตัมและอุปกรณ์โทนิคไมโครเวฟในระบบรวมเป็นสิ่งจำเป็น
5. การรวม: ระบบส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ส่วนประกอบที่ไม่ต่อเนื่องขนาดใหญ่

เพื่อจัดการกับความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาภาคสนามหลายทิศทางการวิจัยที่มีแนวโน้มกำลังเกิดขึ้น:
1. พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์และการตรวจจับครั้งเดียว
2. สำรวจแอปพลิเคชันใหม่ที่ใช้ความไวสูงเช่นการวัด microsphere ของเหลว
3. ติดตามการตระหนักถึงโฟตอนและอิเล็กตรอนแบบบูรณาการเพื่อลดขนาดและความซับซ้อน
4. ศึกษาการปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงที่เพิ่มขึ้นในวงจรโทนิคไมโครเวฟควอนตัมแบบบูรณาการ
5. รวมเทคโนโลยีโฟตอนควอนตัมไมโครเวฟเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมอื่น ๆ