Aplicação da tecnologia fotônica quântica de micro-ondas

Aplicação do quânticotecnologia fotônica de micro-ondas

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

Fotônica de micro-ondasprocessamento de sinal
A fotônica quântica de micro-ondas também implementa funções de processamento de sinais 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 a RF desloca a fase em até 8 GHz, filtrando larguras de banda de até 8 GHz. É importante ressaltar que todos esses recursos são obtidos utilizando componentes eletrônicos de 3 GHz, o que demonstra que o desempenho excede os limites de largura de banda tradicionais.

Mapeamento de frequência não local para tempo
Uma capacidade interessante proporcionada pelo emaranhamento quântico é o mapeamento da frequência não local para o tempo. Essa técnica permite mapear o espectro de uma fonte de fótons únicos bombeados por ondas contínuas para um domínio de tempo 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 do tempo.
A Figura 1 ilustra esse conceito:

Este método pode alcançar medições espectrais flexíveis sem manipular diretamente a fonte de luz medida.

Detecção comprimida
Quânticoóptica de micro-ondasA tecnologia também fornece um novo método para detecção comprimida de sinais de banda larga. Usando a aleatoriedade inerente à detecção quântica, pesquisadores demonstraram um sistema de detecção comprimida quântica capaz de recuperarRF de 10 GHzespectros. O sistema modula o sinal de RF para o estado de polarização do fóton coerente. A detecção de fótons individuais fornece uma matriz de medição aleatória natural para detecção comprimida. 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 aprimorar sistemas de comunicação quântica, como a distribuição quântica de chaves (QKD). Os pesquisadores demonstraram a multiplexação de chaves quânticas por subportadoras (SCM-QKD) multiplexando a subportadora de fótons de micro-ondas em um sistema de distribuição quântica de chaves (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 fotônica quântica de micro-ondas seja promissora, ainda existem alguns desafios:
1. Capacidade limitada em tempo real: o sistema atual requer muito tempo de acumulação para reconstruir o sinal.
2. Dificuldade em lidar com sinais únicos/em rajada: 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: São necessários mais estudos sobre o comportamento de dispositivos fotônicos quânticos e de micro-ondas em sistemas combinados.
5. Integração: A maioria dos sistemas hoje usa componentes discretos e volumosos.

Para enfrentar esses desafios e avançar no campo, estão surgindo uma série de direções de pesquisa promissoras:
1. Desenvolver novos métodos para processamento de sinais em tempo real e detecção única.
2. Explorar novas aplicações que utilizam alta sensibilidade, como medição de microesferas líquidas.
3. Buscar a concretização de fótons e elétrons integrados para reduzir tamanho e complexidade.
4. Estudar a interação aprimorada entre luz e matéria em circuitos fotônicos de micro-ondas quânticos integrados.
5. Combinar a tecnologia de fótons quânticos de micro-ondas com outras tecnologias quânticas emergentes.