Anwendung der Quantenmikrowellenphotonik-Technologie

Anwendung von QuantenMikrowellen-Photonik-Technologie

Erkennung schwacher Signale
Eine der vielversprechendsten Anwendungen der Quantenmikrowellenphotonik-Technologie ist die Erkennung extrem schwacher Mikrowellen-/HF-Signale. Durch die Einzelphotonendetektion sind diese Systeme weitaus empfindlicher als herkömmliche Methoden. Beispielsweise haben die Forscher ein Quantenmikrowellen-Photoniksystem demonstriert, das ohne elektronische Verstärkung Signale bis zu -112,8 dBm erkennen kann. Diese ultrahohe Empfindlichkeit macht es ideal für Anwendungen wie die Weltraumkommunikation.

MikrowellenphotonikSignalverarbeitung
Quantenmikrowellenphotonik implementiert auch Signalverarbeitungsfunktionen mit hoher Bandbreite wie Phasenverschiebung und Filterung. Durch die Verwendung eines dispersiven optischen Elements und die Anpassung der Lichtwellenlänge konnten die Forscher die Tatsache nachweisen, dass HF-Phasenverschiebungen bis zu 8 GHz und HF-Filterbandbreiten bis zu 8 GHz möglich sind. Wichtig ist, dass diese Funktionen alle mithilfe von 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 Abbildung nichtlokaler Frequenz auf die Zeit. Mit dieser Technik kann das Spektrum einer kontinuierlich gepumpten Einzelphotonenquelle auf einen Zeitbereich an einem entfernten Ort abgebildet werden. Das System verwendet verschränkte Photonenpaare, bei denen ein Strahl einen Spektralfilter und der andere ein dispersives Element durchläuft. Aufgrund der Frequenzabhängigkeit verschränkter Photonen wird der spektrale Filtermodus nicht lokal auf den Zeitbereich abgebildet.
Abbildung 1 veranschaulicht dieses Konzept:

Mit dieser Methode kann eine flexible Spektralmessung erreicht werden, ohne die gemessene Lichtquelle direkt zu manipulieren.

Komprimierte Abtastung
QuantumMikrowellenoptischDie Technologie bietet auch eine neue Methode zur komprimierten Erfassung von Breitbandsignalen. Mithilfe der der Quantendetektion inhärenten Zufälligkeit haben Forscher ein quantenkomprimiertes Sensorsystem demonstriert, das zur Wiederherstellung fähig ist10 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 photonischer Mikrowellenanwendungen kann die Quantentechnologie auch Quantenkommunikationssysteme wie die Quantenschlüsselverteilung (QKD) verbessern. Die Forscher demonstrierten die Unterträger-Multiplex-Quantenschlüsselverteilung (SCM-QKD), indem sie Mikrowellenphotonen-Unterträger auf ein Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD) multiplexten. Dadurch können mehrere unabhängige Quantenschlüssel über eine einzige Lichtwellenlänge übertragen werden, wodurch die spektrale Effizienz erhöht wird.
Abbildung 2 zeigt das Konzept und die experimentellen Ergebnisse des Dual-Carrier-SCM-QKD-Systems:

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

Um diese Herausforderungen anzugehen und das Gebiet voranzutreiben, zeichnen sich eine Reihe vielversprechender Forschungsrichtungen ab:
1. Entwicklung neuer Methoden zur Echtzeit-Signalverarbeitung und Einzelerkennung.
2. Erkunden Sie neue Anwendungen, die eine hohe Empfindlichkeit nutzen, wie z. B. die Messung flüssiger Mikrokügelchen.
3. Verfolgen Sie die Realisierung integrierter Photonen und Elektronen, um Größe und Komplexität zu reduzieren.
4. Untersuchen Sie die verstärkte Licht-Materie-Wechselwirkung in integrierten photonischen Quantenmikrowellenschaltkreisen.
5. Kombinieren Sie die Quantenmikrowellen-Photonentechnologie mit anderen neuen Quantentechnologien.