การประยุกต์ใช้เทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์

การประยุกต์ใช้ควอนตัมเทคโนโลยีโฟโตนิกส์ไมโครเวฟ

การตรวจจับสัญญาณอ่อน
หนึ่งในแอปพลิเคชันที่น่าสนใจที่สุดของเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์คือการตรวจจับสัญญาณไมโครเวฟ/RF ที่อ่อนมาก โดยการใช้การตรวจจับโฟตอนเดี่ยว ระบบเหล่านี้มีความไวสูงกว่าวิธีการแบบดั้งเดิมมาก ตัวอย่างเช่น นักวิจัยได้สาธิตระบบควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์ที่สามารถตรวจจับสัญญาณได้ต่ำถึง -112.8 dBm โดยไม่ต้องใช้การขยายสัญญาณทางอิเล็กทรอนิกส์ ความไวสูงเป็นพิเศษนี้ทำให้เหมาะสำหรับแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การสื่อสารในอวกาศลึก

ไมโครเวฟโฟโตนิกส์การประมวลผลสัญญาณ
เทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์ยังสามารถประมวลผลสัญญาณที่มีแบนด์วิดท์สูง เช่น การเปลี่ยนเฟสและการกรองสัญญาณ โดยการใช้ส่วนประกอบทางแสงแบบกระจายแสงและปรับความยาวคลื่นของแสง นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าสามารถเปลี่ยนเฟสสัญญาณ RF ได้ถึง 8 GHz และกรองสัญญาณ RF ได้ถึง 8 GHz ที่สำคัญคือ คุณสมบัติเหล่านี้ทั้งหมดทำได้โดยใช้อุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ความถี่ 3 GHz ซึ่งแสดงให้เห็นว่าประสิทธิภาพนั้นเหนือกว่าขีดจำกัดแบนด์วิดท์แบบดั้งเดิม

การแมปความถี่ที่ไม่ใช่แบบท้องถิ่นไปยังเวลา
ความสามารถที่น่าสนใจอย่างหนึ่งที่เกิดจากการพัวพันทางควอนตัมคือการแมปความถี่ที่ไม่ใช่เฉพาะที่ไปยังเวลา เทคนิคนี้สามารถแมปสเปกตรัมของแหล่งกำเนิดโฟตอนเดี่ยวที่ถูกกระตุ้นด้วยคลื่นต่อเนื่องไปยังโดเมนเวลา ณ ตำแหน่งที่ห่างไกล ระบบนี้ใช้คู่โฟตอนที่พัวพันกัน โดยที่ลำแสงหนึ่งผ่านตัวกรองสเปกตรัม และอีกลำแสงหนึ่งผ่านองค์ประกอบกระจายแสง เนื่องจากโฟตอนที่พัวพันกันนั้นขึ้นอยู่กับความถี่ โหมดการกรองสเปกตรัมจึงถูกแมปไปยังโดเมนเวลาที่ไม่ใช่เฉพาะที่
ภาพที่ 1 แสดงให้เห็นถึงแนวคิดนี้:

วิธีนี้ช่วยให้สามารถวัดสเปกตรัมได้อย่างยืดหยุ่นโดยไม่ต้องปรับเปลี่ยนแหล่งกำเนิดแสงที่วัดโดยตรง

การตรวจจับแบบบีบอัด
ควอนตัมไมโครเวฟออปติคอลเทคโนโลยีนี้ยังนำเสนอวิธีการใหม่สำหรับการตรวจจับสัญญาณบรอดแบนด์แบบบีบอัด โดยใช้ความสุ่มที่มีอยู่ในการตรวจจับควอนตัม นักวิจัยได้สาธิตระบบการตรวจจับแบบบีบอัดควอนตัมที่สามารถกู้คืนข้อมูลได้วิทยุความถี่ 10 GHzสเปกตรัม ระบบจะปรับสัญญาณ RF ให้เข้ากับสถานะโพลาไรเซชันของโฟตอนที่สอดคล้องกัน จากนั้นการตรวจจับโฟตอนเดี่ยวจะให้เมทริกซ์การวัดแบบสุ่มตามธรรมชาติสำหรับการบีบอัดข้อมูล ด้วยวิธีนี้ สัญญาณบรอดแบนด์สามารถกู้คืนได้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างของ Yarnyquist

การแจกจ่ายกุญแจควอนตัม
นอกจากจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการใช้งานโฟตอนไมโครเวฟแบบดั้งเดิมแล้ว เทคโนโลยีควอนตัมยังสามารถปรับปรุงระบบการสื่อสารควอนตัม เช่น การกระจายกุญแจควอนตัม (QKD) ได้อีกด้วย นักวิจัยได้สาธิตการกระจายกุญแจควอนตัมแบบมัลติเพล็กซ์ซับแคริเออร์ (SCM-QKD) โดยการมัลติเพล็กซ์โฟตอนไมโครเวฟแบบซับแคริเออร์เข้ากับระบบการกระจายกุญแจควอนตัม (QKD) วิธีนี้ช่วยให้สามารถส่งกุญแจควอนตัมอิสระหลายตัวผ่านความยาวคลื่นแสงเดียวได้ ซึ่งจะช่วยเพิ่มประสิทธิภาพเชิงสเปกตรัม
รูปที่ 2 แสดงแนวคิดและผลการทดลองของระบบ SCM-QKD แบบสองคลื่นพาหะ:

แม้ว่าเทคโนโลยีควอนตัมไมโครเวฟโฟโตนิกส์จะมีอนาคตที่สดใส แต่ก็ยังมีความท้าทายอยู่บ้าง:
1. ความสามารถในการประมวลผลแบบเรียลไทม์มีจำกัด: ระบบปัจจุบันต้องใช้เวลาในการสะสมข้อมูลจำนวนมากเพื่อสร้างสัญญาณขึ้นมาใหม่
2. ความยากลำบากในการจัดการกับสัญญาณแบบเป็นชุด/สัญญาณเดี่ยว: ลักษณะทางสถิติของการสร้างสัญญาณขึ้นใหม่จำกัดการใช้งานเฉพาะกับสัญญาณที่ไม่ซ้ำกันเท่านั้น
3. แปลงเป็นรูปคลื่นไมโครเวฟจริง: จำเป็นต้องมีขั้นตอนเพิ่มเติมเพื่อแปลงฮิสโตแกรมที่สร้างขึ้นใหม่ให้เป็นรูปคลื่นที่ใช้งานได้
4. คุณลักษณะของอุปกรณ์: จำเป็นต้องมีการศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับพฤติกรรมของอุปกรณ์ควอนตัมและไมโครเวฟโฟตอนิกส์ในระบบแบบผสมผสาน
5. การบูรณาการ: ระบบส่วนใหญ่ในปัจจุบันใช้ส่วนประกอบแยกชิ้นขนาดใหญ่

เพื่อรับมือกับความท้าทายเหล่านี้และพัฒนาสาขานี้ให้ก้าวหน้ายิ่งขึ้น จึงมีทิศทางการวิจัยที่น่าสนใจหลายประการเกิดขึ้น:
1. พัฒนาวิธีการใหม่สำหรับการประมวลผลสัญญาณแบบเรียลไทม์และการตรวจจับแบบเดี่ยว
2. สำรวจการประยุกต์ใช้งานใหม่ๆ ที่ใช้ประโยชน์จากความไวสูง เช่น การวัดไมโครสเฟียร์เหลว
3. มุ่งมั่นพัฒนาเทคโนโลยีการรวมโฟตอนและอิเล็กตรอน เพื่อลดขนาดและความซับซ้อน
4. ศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างแสงและสสารที่เพิ่มขึ้นในวงจรโฟตอนิกไมโครเวฟควอนตัมแบบบูรณาการ
5. ผสานรวมเทคโนโลยีโฟตอนไมโครเวฟควอนตัมเข้ากับเทคโนโลยีควอนตัมใหม่ ๆ อื่น ๆ