Tecnologia ottica quantistica a microonde

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Tecnologia ottica a microondeè diventato un campo potente, che combina i vantaggi della tecnologia ottica e delle microonde nell'elaborazione del segnale, nella comunicazione, nel rilevamento e in altri aspetti. Tuttavia, i sistemi fotonici a microonde convenzionali devono affrontare alcune limitazioni fondamentali, soprattutto in termini di larghezza di banda e sensibilità. Per superare queste sfide, i ricercatori stanno iniziando a esplorare la fotonica quantistica a microonde, un nuovo entusiasmante campo che combina i concetti della tecnologia quantistica con la fotonica a microonde.

Fondamenti di tecnologia ottica quantistica a microonde
Il nucleo della tecnologia ottica quantistica a microonde è sostituire quella ottica tradizionalefotorivelatorenelCollegamento fotonico a microondecon un fotorivelatore a singolo fotone ad alta sensibilità. Ciò consente al sistema di funzionare a livelli di potenza ottica estremamente bassi, anche fino al livello del singolo fotone, aumentando potenzialmente anche la larghezza di banda.
I tipici sistemi di fotoni quantistici a microonde includono: 1. Sorgenti a fotone singolo (ad esempio, laser attenuati 2.Modulatore elettrootticoper la codifica di segnali a microonde/RF 3. Componente di elaborazione del segnale ottico4. Rilevatori di fotoni singoli (ad esempio rilevatori di nanofili superconduttori) 5. Dispositivi elettronici per il conteggio di fotoni singoli dipendenti dal tempo (TCSPC)
La Figura 1 mostra il confronto tra i collegamenti fotonici a microonde tradizionali e i collegamenti fotonici a microonde quantistici:

La differenza fondamentale è l'uso di rilevatori di fotoni singoli e moduli TCSPC invece di fotodiodi ad alta velocità. Ciò consente il rilevamento di segnali estremamente deboli, spingendo si spera la larghezza di banda oltre i limiti dei fotorilevatori tradizionali.

Schema di rilevamento di un singolo fotone
Lo schema di rilevamento del singolo fotone è molto importante per i sistemi di fotoni a microonde quantistici. Il principio di funzionamento è il seguente: 1. Il segnale di trigger periodico sincronizzato con il segnale misurato viene inviato al modulo TCSPC. 2. Il rilevatore di fotoni singoli emette una serie di impulsi che rappresentano i fotoni rilevati. 3. Il modulo TCSPC misura la differenza di tempo tra il segnale di trigger e ciascun fotone rilevato. 4. Dopo diversi cicli di trigger, viene stabilito l'istogramma del tempo di rilevamento. 5. L'istogramma può ricostruire la forma d'onda del segnale originale. Matematicamente si può dimostrare che la probabilità di rilevare un fotone in un dato momento è proporzionale alla potenza ottica in quel momento. Pertanto, l'istogramma del tempo di rilevamento può rappresentare accuratamente la forma d'onda del segnale misurato.

Principali vantaggi della tecnologia ottica a microonde quantistiche
Rispetto ai tradizionali sistemi ottici a microonde, la fotonica quantistica a microonde presenta numerosi vantaggi chiave: 1. Sensibilità ultraelevata: rileva segnali estremamente deboli fino al livello del singolo fotone. 2. Aumento della larghezza di banda: non limitato dalla larghezza di banda del fotorilevatore, influenzato solo dal jitter temporale del rilevatore di singolo fotone. 3. Anti-interferenza migliorata: la ricostruzione TCSPC può filtrare i segnali che non sono bloccati sul trigger. 4. Rumore ridotto: evita il rumore causato dal rilevamento e dall'amplificazione fotoelettrica tradizionali.