Anwendung der Quantenmikrowellenphotonik-Technologie

Anwendung von QuantenMikrowellenphotonik-Technologie

Schwache Signalerkennung
Eine der vielversprechendsten Anwendungen der Quanten-Mikrowellenphotonik ist die Detektion extrem schwacher Mikrowellen-/HF-Signale. Durch die Einzelphotonendetektion sind diese Systeme deutlich empfindlicher als herkömmliche Methoden. So haben die Forscher beispielsweise ein Quanten-Mikrowellenphotoniksystem vorgestellt, das Signale bis zu -112,8 dBm ohne elektronische Verstärkung detektieren kann. Diese ultrahohe Empfindlichkeit macht es ideal für Anwendungen wie die Weltraumkommunikation.

MikrowellenphotonikSignalverarbeitung
Die Quantenmikrowellenphotonik implementiert auch Signalverarbeitungsfunktionen mit hoher Bandbreite wie Phasenverschiebung und Filterung. Durch den Einsatz eines dispersiven optischen Elements und die Anpassung der Lichtwellenlänge konnten die Forscher nachweisen, dass HF-Phasenverschiebungen bis zu 8 GHz und HF-Filterbandbreiten bis zu 8 GHz möglich sind. Wichtig ist, dass all diese Funktionen mit 3-GHz-Elektronik erreicht werden, was zeigt, dass die Leistung die herkömmlichen Bandbreitengrenzen übertrifft.

Nicht-lokale Frequenz-Zeit-Zuordnung
Eine interessante Fähigkeit der Quantenverschränkung ist die nichtlokale Abbildung von Frequenzen auf die Zeit. Diese Technik kann das Spektrum einer kontinuierlich gepumpten Einzelphotonenquelle auf einen Zeitbereich an einem entfernten Ort abbilden. Das System verwendet verschränkte Photonenpaare, wobei ein Strahl einen Spektralfilter und der andere ein dispersives Element durchläuft. Aufgrund der Frequenzabhängigkeit verschränkter Photonen wird der spektrale Filtermodus nichtlokal auf den Zeitbereich abgebildet.
Abbildung 1 veranschaulicht dieses Konzept:

Mit dieser Methode ist eine flexible Spektralmessung möglich, ohne dass die gemessene Lichtquelle direkt manipuliert werden muss.

Komprimierte Erfassung
QuantenMikrowellenoptikDie Technologie bietet auch eine neue Methode zur komprimierten Erfassung von Breitbandsignalen. Forscher haben die Zufälligkeit der Quantendetektion genutzt und ein quantenkomprimiertes Sensorsystem entwickelt, das in der Lage ist,10 GHz HFSpektren. Das System moduliert das HF-Signal auf den Polarisationszustand des kohärenten Photons. Die Einzelphotonendetektion liefert dann eine natürliche Zufallsmessmatrix für Compressed Sensing. Auf diese Weise kann das Breitbandsignal mit der Yarnyquist-Abtastrate wiederhergestellt werden.

Quantenschlüsselverteilung
Neben der Verbesserung traditioneller Mikrowellenphotonik-Anwendungen kann die Quantentechnologie auch Quantenkommunikationssysteme wie die Quantenschlüsselverteilung (QKD) verbessern. Die Forscher demonstrierten die Subträger-Multiplex-Quantenschlüsselverteilung (SCM-QKD) durch Multiplexen von Mikrowellenphotonen-Subträgern auf ein Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD). Dies ermöglicht die Übertragung mehrerer unabhängiger Quantenschlüssel über eine einzige Lichtwellenlänge und erhöht so die spektrale Effizienz.
Abbildung 2 zeigt das Konzept und die experimentellen Ergebnisse des Dual-Carrier-SCM-QKD-Systems:

Obwohl die Quanten-Mikrowellenphotonik-Technologie vielversprechend ist, gibt es noch einige Herausforderungen:
1. Eingeschränkte Echtzeitfähigkeit: Das aktuelle System benötigt viel Akkumulationszeit, um das Signal zu rekonstruieren.
2. Schwierigkeiten beim Umgang mit Burst-/Einzelsignalen: Die statistische Natur der Rekonstruktion beschränkt ihre Anwendbarkeit auf sich nicht wiederholende Signale.
3. In eine echte Mikrowellenwellenform umwandeln: Um das rekonstruierte Histogramm in eine nutzbare Wellenform umzuwandeln, sind zusätzliche Schritte erforderlich.
4. Geräteeigenschaften: Weitere Untersuchungen zum Verhalten von Quanten- und Mikrowellenphotonikgeräten in kombinierten Systemen sind erforderlich.
5. Integration: Die meisten heutigen Systeme verwenden sperrige diskrete Komponenten.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und das Feld voranzubringen, zeichnen sich eine Reihe vielversprechender Forschungsrichtungen ab:
1. Entwicklung neuer Methoden zur Echtzeit-Signalverarbeitung und Einzelerkennung.
2. Entdecken Sie neue Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit nutzen, wie beispielsweise die Messung flüssiger Mikrokügelchen.
3. Streben Sie die Realisierung integrierter Photonen und Elektronen an, um Größe und Komplexität zu reduzieren.
4. Untersuchen Sie die verstärkte Licht-Materie-Wechselwirkung in integrierten Quanten-Mikrowellen-Photonikschaltkreisen.
5. Kombinieren Sie die Quanten-Mikrowellenphotonentechnologie mit anderen aufkommenden Quantentechnologien.