Aplicação da tecnologia fotônica quântica de microondas

Aplicação de quantumtecnologia fotônica de microondas

Detecção de sinal fraco
Uma das aplicações mais promissoras da tecnologia fotônica quântica de microondas é a detecção de sinais de microondas/RF extremamente fracos. Ao utilizar a detecção de fóton único, esses sistemas são muito mais sensíveis que os métodos tradicionais. Por exemplo, os pesquisadores demonstraram um sistema fotônico quântico de microondas 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 em espaços profundos.

Fotônica de microondasprocessamento de sinal
A fotônica quântica de microondas também implementa funções de processamento de sinal de alta largura de banda, como mudança de fase e filtragem. Usando um elemento óptico dispersivo e ajustando o comprimento de onda da luz, os pesquisadores demonstraram o fato de que a fase de RF muda até 8 GHz, filtrando larguras de banda de RF de até 8 GHz. É importante ressaltar que todos esses recursos são obtidos usando componentes eletrônicos de 3 GHz, o que mostra que o desempenho excede os limites tradicionais de largura de banda

Frequência não local para mapeamento de tempo
Uma capacidade interessante provocada pelo emaranhamento quântico é o mapeamento da frequência não local no tempo. Esta técnica pode mapear o espectro de uma fonte de fóton único bombeada de onda contínua 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 passa por um elemento dispersivo. Devido à dependência da frequência dos fótons emaranhados, o modo de filtragem espectral é mapeado não localmente no domínio do tempo.
A Figura 1 ilustra esse conceito:

Este método pode obter medição espectral flexível sem manipular diretamente a fonte de luz medida.

Sensor comprimido
Quânticomicroondas ópticoa tecnologia também fornece um novo método para detecção compactada de sinais de banda larga. Usando a aleatoriedade inerente à detecção quântica, os pesquisadores demonstraram um sistema de detecção quântica comprimido 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 detecção compactada. Desta forma, o sinal de banda larga pode ser restaurado à taxa de amostragem Yarnyquist.

Distribuição de chaves quânticas
Além de aprimorar as aplicações fotônicas tradicionais de micro-ondas, a tecnologia quântica também pode melhorar os sistemas de comunicação quântica, como a distribuição quântica de chaves (QKD). Os pesquisadores demonstraram a distribuição de chave quântica multiplexada de subportadora (SCM-QKD) multiplexando a subportadora de fótons de micro-ondas em um sistema de distribuição de chave quântica (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 dupla operadora:

Embora a tecnologia fotônica quântica de microondas 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 burst/únicos: A natureza estatística da reconstrução limita a sua aplicabilidade a sinais não repetitivos.
3. Converter para uma forma de onda de micro-ondas real: São necessárias etapas adicionais 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 estes desafios e avançar neste campo, estão a surgir uma série de direções de investigação 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 realização de fótons e elétrons integrados para reduzir tamanho e complexidade.
4. Estudar a interação luz-matéria aprimorada em circuitos fotônicos quânticos integrados de micro-ondas.
5. Combinar a tecnologia quântica de fótons de micro-ondas com outras tecnologias quânticas emergentes.