Aplicação da tecnologia de fotônica quântica de micro-ondas

Aplicação da computação quânticatecnologia de fotônica de micro-ondas

detecção de sinal fraco
Uma das aplicações mais promissoras da tecnologia de fotônica quântica de micro-ondas é a detecção de sinais de micro-ondas/RF extremamente fracos. Ao utilizar a detecção de fótons individuais, esses sistemas são muito mais sensíveis do que os métodos tradicionais. Por exemplo, os pesquisadores demonstraram um sistema de fotônica quântica de micro-ondas capaz de detectar sinais tão baixos quanto -112,8 dBm sem qualquer amplificação eletrônica. Essa altíssima sensibilidade o torna ideal para aplicações como comunicações no espaço profundo.

Fotônica de micro-ondasprocessamento de sinais
A fotônica quântica de micro-ondas também implementa funções de processamento de sinal de alta largura de banda, como deslocamento de fase e filtragem. Utilizando um elemento óptico dispersivo e ajustando o comprimento de onda da luz, os pesquisadores demonstraram que os deslocamentos de fase de radiofrequência (RF) e as larguras de banda de filtragem de RF chegam a 8 GHz. É importante ressaltar que todos esses recursos são alcançados utilizando eletrônica de 3 GHz, o que demonstra que o desempenho supera os limites de largura de banda tradicionais.

Mapeamento de frequência para tempo não local
Uma capacidade interessante proporcionada pelo emaranhamento quântico é o mapeamento de frequência não local para o tempo. Essa técnica permite mapear o espectro de uma fonte de fóton único bombeada por onda contínua para um domínio temporal em um local remoto. O sistema utiliza pares de fótons emaranhados, nos quais um feixe passa por um filtro espectral e o outro por um elemento dispersivo. Devido à dependência da frequência dos fótons emaranhados, o modo de filtragem espectral é mapeado não localmente para o domínio temporal.
A Figura 1 ilustra esse conceito:

Este método permite realizar medições espectrais flexíveis sem manipular diretamente a fonte de luz medida.

Sensoriamento comprimido
Quânticoóptica de micro-ondasA tecnologia também oferece um novo método para sensoriamento comprimido de sinais de banda larga. Usando a aleatoriedade inerente à detecção quântica, pesquisadores demonstraram um sistema de sensoriamento comprimido quântico capaz de recuperarRF de 10 GHzespectros. O sistema modula o sinal de RF para o estado de polarização do fóton coerente. A detecção de fóton único fornece então uma matriz de medição aleatória natural para sensoriamento comprimido. Dessa forma, o sinal de banda larga pode ser restaurado na taxa de amostragem de Yarnyquist.

Distribuição de chaves quânticas
Além de aprimorar as aplicações fotônicas tradicionais de micro-ondas, a tecnologia quântica também pode melhorar sistemas de comunicação quântica, como a distribuição de chaves quânticas (QKD). Os pesquisadores demonstraram a distribuição de chaves quânticas por multiplexação de subportadoras (SCM-QKD) multiplexando subportadoras de fótons de micro-ondas em um sistema de distribuição de chaves quânticas (QKD). Isso permite que múltiplas chaves quânticas independentes sejam transmitidas em um único comprimento de onda de luz, aumentando assim a eficiência espectral.
A Figura 2 mostra o conceito e os resultados experimentais do sistema SCM-QKD de portadora dupla:

Embora a tecnologia de fotônica quântica de micro-ondas seja promissora, ainda existem alguns desafios:
1. Capacidade limitada em tempo real: O sistema atual requer um longo tempo de acumulação para reconstruir o sinal.
2. Dificuldade em lidar com sinais únicos/em rajadas: A natureza estatística da reconstrução limita sua aplicabilidade a sinais não repetitivos.
3. Converter para uma forma de onda de micro-ondas real: Etapas adicionais são necessárias para converter o histograma reconstruído em uma forma de onda utilizável.
4. Características do dispositivo: É necessário um estudo mais aprofundado do comportamento de dispositivos fotônicos quânticos e de micro-ondas em sistemas combinados.
5. Integração: A maioria dos sistemas atuais utiliza componentes discretos volumosos.

Para enfrentar esses desafios e impulsionar o campo, diversas linhas de pesquisa promissoras estão surgindo:
1. Desenvolver novos métodos para processamento de sinais em tempo real e detecção individual.
2. Explorar novas aplicações que utilizem alta sensibilidade, como a medição de microesferas líquidas.
3. Buscar a implementação da integração de fótons e elétrons para reduzir o tamanho e a complexidade.
4. Estudar a interação luz-matéria aprimorada em circuitos fotônicos quânticos de micro-ondas integrados.
5. Combinar a tecnologia quântica de fótons de micro-ondas com outras tecnologias quânticas emergentes.