Applicazione della fisica quantisticatecnologia fotonica a microonde
Rilevamento del segnale debole
Una delle applicazioni più promettenti della tecnologia fotonica quantistica a microonde è il rilevamento di segnali a microonde/RF estremamente deboli. Utilizzando la rivelazione a singolo fotone, questi sistemi sono molto più sensibili dei metodi tradizionali. Ad esempio, i ricercatori hanno dimostrato un sistema fotonico quantistico a microonde in grado di rilevare segnali fino a -112,8 dBm senza alcuna amplificazione elettronica. Questa sensibilità ultraelevata lo rende ideale per applicazioni come le comunicazioni nello spazio profondo.
Fotonica a microondeelaborazione del segnale
La fotonica quantistica a microonde implementa anche funzioni di elaborazione del segnale a banda larga, come lo sfasamento e il filtraggio. Utilizzando un elemento ottico dispersivo e regolando la lunghezza d'onda della luce, i ricercatori hanno dimostrato che lo sfasamento RF fino a 8 GHz consente larghezze di banda del filtraggio RF fino a 8 GHz. È importante notare che tutte queste caratteristiche sono ottenute utilizzando componenti elettronici a 3 GHz, il che dimostra che le prestazioni superano i limiti di larghezza di banda tradizionali.
Mappatura non locale della frequenza nel tempo
Una capacità interessante offerta dall'entanglement quantistico è la mappatura della frequenza non locale al tempo. Questa tecnica consente di mappare lo spettro di una sorgente di singoli fotoni pompati a onda continua in un dominio del tempo in una posizione remota. Il sistema utilizza coppie di fotoni entangled in cui un fascio passa attraverso un filtro spettrale e l'altro attraverso un elemento dispersivo. A causa della dipendenza dalla frequenza dei fotoni entangled, la modalità di filtraggio spettrale viene mappata in modo non locale al dominio del tempo.
La figura 1 illustra questo concetto:
Questo metodo consente di ottenere misurazioni spettrali flessibili senza dover manipolare direttamente la sorgente luminosa misurata.
Rilevamento compresso
Quantisticoottica a microondeLa tecnologia fornisce anche un nuovo metodo per il rilevamento compresso di segnali a banda larga. Utilizzando la casualità insita nel rilevamento quantistico, i ricercatori hanno dimostrato un sistema di rilevamento compresso quantistico in grado di recuperare10 GHz RFspettri. Il sistema modula il segnale RF in base allo stato di polarizzazione del fotone coerente. La rilevazione del singolo fotone fornisce quindi una matrice di misura casuale naturale per il rilevamento compresso. In questo modo, il segnale a banda larga può essere ripristinato alla frequenza di campionamento di Yarnyquist.
Distribuzione di chiavi quantistiche
Oltre a migliorare le tradizionali applicazioni della fotonica a microonde, la tecnologia quantistica può anche migliorare i sistemi di comunicazione quantistica come la distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). I ricercatori hanno dimostrato la distribuzione di chiavi quantistiche multiplexate a sottoportante (SCM-QKD) multiplexando le sottoportanti dei fotoni a microonde su un sistema di distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). Ciò consente la trasmissione di più chiavi quantistiche indipendenti su una singola lunghezza d'onda luminosa, aumentando così l'efficienza spettrale.
La figura 2 mostra il concetto e i risultati sperimentali del sistema SCM-QKD a doppio vettore:
Sebbene la tecnologia della fotonica quantistica a microonde sia promettente, ci sono ancora alcune sfide:
1. Capacità limitata in tempo reale: il sistema attuale richiede molto tempo di accumulo per ricostruire il segnale.
2. Difficoltà nel gestire segnali singoli/a raffica: la natura statistica della ricostruzione limita la sua applicabilità ai segnali non ripetuti.
3. Conversione in una forma d'onda a microonde reale: sono necessari ulteriori passaggi per convertire l'istogramma ricostruito in una forma d'onda utilizzabile.
4. Caratteristiche del dispositivo: sono necessari ulteriori studi sul comportamento dei dispositivi fotonici quantistici e a microonde nei sistemi combinati.
5. Integrazione: la maggior parte dei sistemi odierni utilizza componenti discreti ingombranti.
Per affrontare queste sfide e far progredire il settore, stanno emergendo diverse direzioni di ricerca promettenti:
1. Sviluppare nuovi metodi per l'elaborazione del segnale in tempo reale e il rilevamento singolo.
2. Esplorare nuove applicazioni che utilizzano un'elevata sensibilità, come la misurazione delle microsfere liquide.
3. Perseguire la realizzazione di fotoni ed elettroni integrati per ridurre le dimensioni e la complessità.
4. Studiare l'interazione migliorata luce-materia nei circuiti fotonici quantistici a microonde integrati.
5. Combinare la tecnologia quantistica dei fotoni a microonde con altre tecnologie quantistiche emergenti.
Data di pubblicazione: 02/09/2024