Anwendung der Quantenmikrowellenphotonik-Technologie

Anwendung der QuantenmechanikMikrowellenphotonik-Technologie

Schwache Signalerkennung
Eine der vielversprechendsten Anwendungen der Quantenmikrowellenphotonik ist der Nachweis extrem schwacher Mikrowellen-/HF-Signale. Durch die Einzelphotonendetektion sind diese Systeme deutlich empfindlicher als herkömmliche Methoden. So haben Forscher beispielsweise ein Quantenmikrowellenphotoniksystem demonstriert, das Signale bis zu einer Stärke von -112,8 dBm ohne elektronische Verstärkung detektieren kann. Diese extrem hohe Empfindlichkeit prädestiniert es für Anwendungen wie die Weltraumkommunikation.

MikrowellenphotonikSignalverarbeitung
Die Quantenmikrowellenphotonik ermöglicht zudem Signalverarbeitungsfunktionen mit hoher Bandbreite, wie Phasenverschiebung und Filterung. Mithilfe eines dispersiven optischen Elements und der Anpassung der Lichtwellenlänge demonstrierten die Forscher, dass HF-Phasenverschiebungen und HF-Filterbandbreiten bis zu 8 GHz möglich sind. Bemerkenswert ist, dass all diese Eigenschaften mit 3-GHz-Elektronik erzielt werden, was die herkömmlichen Bandbreitengrenzen übertrifft.

Nichtlokale Frequenz-Zeit-Zuordnung
Eine interessante Möglichkeit der Quantenverschränkung ist die Abbildung nichtlokaler Frequenzen auf die Zeit. Mit dieser Technik lässt sich das Spektrum einer kontinuierlich gepumpten Einzelphotonenquelle an einem entfernten Ort zeitlich abbilden. Das System nutzt verschränkte Photonenpaare, wobei ein Strahl einen Spektralfilter und der andere ein dispersives Element durchläuft. Aufgrund der Frequenzabhängigkeit der verschränkten Photonen wird der Spektralfiltermodus nichtlokal in die Zeit abgebildet.
Abbildung 1 veranschaulicht dieses Konzept:

Mit dieser Methode lässt sich eine flexible Spektralmessung durchführen, ohne die zu messende Lichtquelle direkt zu manipulieren.

Komprimierte Messung
QuantenMikrowellenoptikDie Technologie bietet zudem eine neue Methode zur komprimierten Erfassung von Breitbandsignalen. Mithilfe der der Quantendetektion innewohnenden Zufälligkeit haben Forscher ein quantenbasiertes System zur komprimierten Erfassung demonstriert, das in der Lage ist, …10 GHz HFSpektren. Das System moduliert das HF-Signal entsprechend dem Polarisationszustand des kohärenten Photons. Die Einzelphotonendetektion liefert dann eine natürliche, zufällige Messmatrix für Compressed Sensing. Auf diese Weise lässt sich das Breitbandsignal mit der Yarnyquist-Abtastrate rekonstruieren.

Quantenschlüsselverteilung
Neben der Verbesserung traditioneller mikrowellenphotonischer Anwendungen kann die Quantentechnologie auch Quantenkommunikationssysteme wie die Quantenschlüsselverteilung (QKD) optimieren. Die Forscher demonstrierten die Subträger-Multiplex-Quantenschlüsselverteilung (SCM-QKD), indem sie Mikrowellenphotonen als Subträger in ein QKD-System multiplexierten. Dies ermöglicht die Übertragung mehrerer unabhängiger Quantenschlüssel über eine einzige Wellenlänge, wodurch die spektrale Effizienz erhöht wird.
Abbildung 2 zeigt das Konzept und die experimentellen Ergebnisse des Dual-Carrier-SCM-QKD-Systems:

Obwohl die Quantenmikrowellenphotonik-Technologie vielversprechend ist, gibt es noch einige Herausforderungen:
1. Begrenzte Echtzeitfähigkeit: Das aktuelle System benötigt viel Zeit zum Sammeln von Daten, um das Signal zu rekonstruieren.
2. Schwierigkeiten beim Umgang mit Burst-/Einzelsignalen: Die statistische Natur der Rekonstruktion schränkt ihre Anwendbarkeit auf nicht-wiederholende Signale ein.
3. Umwandlung in eine reale Mikrowellenwellenform: Es sind zusätzliche Schritte erforderlich, um das rekonstruierte Histogramm in eine nutzbare Wellenform umzuwandeln.
4. Gerätecharakteristika: Weitere Untersuchungen zum Verhalten von Quanten- und Mikrowellenphotonik-Bauelementen in kombinierten Systemen sind erforderlich.
5. Integration: Die meisten Systeme verwenden heutzutage sperrige Einzelkomponenten.

Um diese Herausforderungen zu bewältigen und das Fachgebiet voranzubringen, zeichnen sich eine Reihe vielversprechender Forschungsrichtungen ab:
1. Entwicklung neuer Methoden zur Echtzeit-Signalverarbeitung und Einzelerkennung.
2. Erforschen Sie neue Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit erfordern, wie z. B. die Messung von flüssigen Mikrokügelchen.
3. Die Realisierung integrierter Photonen und Elektronen anstreben, um Größe und Komplexität zu reduzieren.
4. Untersuchung der verstärkten Licht-Materie-Wechselwirkung in integrierten Quanten-Mikrowellen-Photonikschaltungen.
5. Die Quantenmikrowellenphotonentechnologie mit anderen aufkommenden Quantentechnologien kombinieren.