Applicazione della meccanica quantisticatecnologia fotonica a microonde
Rilevamento di segnali deboli
Una delle applicazioni più promettenti della tecnologia fotonica quantistica a microonde è il rilevamento di segnali a microonde/RF estremamente deboli. Grazie al rilevamento di singoli fotoni, questi sistemi sono molto più sensibili rispetto ai 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 altissima sensibilità 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 ad alta larghezza di banda, come lo sfasamento e il filtraggio. Utilizzando un elemento ottico dispersivo e regolando la lunghezza d'onda della luce, i ricercatori hanno dimostrato la possibilità di ottenere sfasamenti RF fino a 8 GHz e larghezze di banda di filtraggio RF fino a 8 GHz. È importante sottolineare 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 frequenza-tempo
Una delle interessanti capacità rese possibili dall'entanglement quantistico è la mappatura della frequenza non locale nel tempo. Questa tecnica permette di mappare lo spettro di una sorgente di singoli fotoni pompata a onda continua in un dominio temporale in una posizione remota. Il sistema utilizza coppie di fotoni entangled, in cui un fascio attraversa un filtro spettrale e l'altro un elemento dispersivo. Grazie alla dipendenza dalla frequenza dei fotoni entangled, la modalità di filtraggio spettrale viene mappata in modo non locale nel dominio temporale.
La Figura 1 illustra questo concetto:
Questo metodo consente di ottenere misurazioni spettrali flessibili senza manipolare direttamente la sorgente luminosa misurata.
Rilevamento compresso
Quantisticomicroonde otticheLa tecnologia fornisce anche un nuovo metodo per il rilevamento compresso di segnali a banda larga. Utilizzando la casualità intrinseca nel rilevamento quantistico, i ricercatori hanno dimostrato un sistema di rilevamento compresso quantistico in grado di recuperareRF a 10 GHzspettri. Il sistema modula il segnale RF in base allo stato di polarizzazione del fotone coerente. Il rilevamento di singoli fotoni fornisce quindi una matrice di misurazione casuale naturale per il compressed sensing. In questo modo, il segnale a banda larga può essere ripristinato alla frequenza di campionamento di Yarnyquist.
Distribuzione di chiavi quantistiche
Oltre a potenziare le tradizionali applicazioni fotoniche 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 a multiplexing di sottoportanti (SCM-QKD) multiplexando le sottoportanti dei fotoni a microonde su un sistema di distribuzione di chiavi quantistiche (QKD). Ciò consente di trasmettere più chiavi quantistiche indipendenti su una singola lunghezza d'onda della luce, 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, presenta ancora alcune sfide:
1. Capacità in tempo reale limitata: il sistema attuale richiede molto tempo di accumulo per ricostruire il segnale.
2. Difficoltà nella gestione di segnali singoli/a raffica: la natura statistica della ricostruzione ne limita l'applicabilità a segnali non ripetitivi.
3. Conversione in una vera forma d'onda a microonde: sono necessari ulteriori passaggi per convertire l'istogramma ricostruito in una forma d'onda utilizzabile.
4. Caratteristiche del dispositivo: È necessario un ulteriore studio del comportamento dei dispositivi fotonici quantistici e a microonde nei sistemi combinati.
5. Integrazione: la maggior parte dei sistemi odierni utilizza componenti discreti e ingombranti.
Per affrontare queste sfide e far progredire il settore, stanno emergendo diverse promettenti direzioni di ricerca:
1. Sviluppare nuovi metodi per l'elaborazione del segnale in tempo reale e il rilevamento singolo.
2. Esplorare nuove applicazioni che sfruttino l'elevata sensibilità, come la misurazione di microsfere liquide.
3. Perseguire la realizzazione di fotoni ed elettroni integrati per ridurre dimensioni e complessità.
4. Studiare l'interazione luce-materia potenziata nei circuiti fotonici quantistici a microonde integrati.
5. Combinare la tecnologia dei fotoni a microonde quantistici con altre tecnologie quantistiche emergenti.
Data di pubblicazione: 2 settembre 2024