Aplicación de la tecnología de fotónica de microondas cuántica

Aplicación de la mecánica cuánticatecnología fotónica de microondas

detección de señales débiles
Una de las aplicaciones más prometedoras de la tecnología de fotónica cuántica de microondas es la detección de señales de microondas/RF extremadamente débiles. Mediante la detección de fotones individuales, estos sistemas son mucho más sensibles que los métodos tradicionales. Por ejemplo, los investigadores han demostrado un sistema fotónico cuántico de microondas capaz de detectar señales tan bajas como -112,8 dBm sin amplificación electrónica. Esta altísima sensibilidad lo hace ideal para aplicaciones como las comunicaciones en el espacio profundo.

fotónica de microondasprocesamiento de señales
La fotónica cuántica de microondas también implementa funciones de procesamiento de señales de alto ancho de banda, como el desplazamiento de fase y el filtrado. Mediante el uso de un elemento óptico dispersivo y el ajuste de la longitud de onda de la luz, los investigadores demostraron que se pueden lograr desplazamientos de fase de RF de hasta 8 GHz y anchos de banda de filtrado de RF de hasta 8 GHz. Es importante destacar que todas estas características se consiguen utilizando electrónica de 3 GHz, lo que demuestra que el rendimiento supera los límites de ancho de banda tradicionales.

Mapeo de frecuencia no local a tiempo
Una capacidad interesante que ofrece el entrelazamiento cuántico es la correspondencia entre la frecuencia no local y el tiempo. Esta técnica permite mapear el espectro de una fuente de fotones individuales bombeada en onda continua al dominio del tiempo en una ubicación remota. El sistema utiliza pares de fotones entrelazados, donde un haz atraviesa un filtro espectral y el otro un elemento dispersivo. Debido a la dependencia de la frecuencia de los fotones entrelazados, el modo de filtrado espectral se mapea de forma no local al dominio del tiempo.
La figura 1 ilustra este concepto:

Este método permite realizar mediciones espectrales flexibles sin manipular directamente la fuente de luz medida.

Detección comprimida
Cuánticoóptica de microondasLa tecnología también proporciona un nuevo método para la detección comprimida de señales de banda ancha. Utilizando la aleatoriedad inherente a la detección cuántica, los investigadores han demostrado un sistema de detección comprimida cuántica capaz de recuperarRF de 10 GHzespectros. El sistema modula la señal de RF al estado de polarización del fotón coherente. La detección de fotones individuales proporciona entonces una matriz de medición aleatoria natural para la detección comprimida. De esta forma, la señal de banda ancha se puede restaurar a la frecuencia de muestreo de Yarnyquist.

Distribución de claves cuánticas
Además de mejorar las aplicaciones fotónicas de microondas tradicionales, la tecnología cuántica también puede optimizar los sistemas de comunicación cuántica, como la distribución de claves cuánticas (QKD). Los investigadores demostraron la distribución de claves cuánticas por multiplexación de subportadoras (SCM-QKD) mediante la multiplexación de subportadoras de fotones de microondas en un sistema de distribución de claves cuánticas (QKD). Esto permite transmitir múltiples claves cuánticas independientes a través de una única longitud de onda de luz, aumentando así la eficiencia espectral.
La figura 2 muestra el concepto y los resultados experimentales del sistema SCM-QKD de doble portadora:

Si bien la tecnología de fotónica de microondas cuántica es prometedora, aún existen algunos desafíos:
1. Capacidad limitada en tiempo real: El sistema actual requiere mucho tiempo de acumulación para reconstruir la señal.
2. Dificultad para procesar señales puntuales o en ráfaga: La naturaleza estadística de la reconstrucción limita su aplicabilidad a señales no repetitivas.
3. Convertir a una forma de onda de microondas real: Se requieren pasos adicionales para convertir el histograma reconstruido en una forma de onda utilizable.
4. Características del dispositivo: Es necesario seguir estudiando el comportamiento de los dispositivos fotónicos cuánticos y de microondas en sistemas combinados.
5. Integración: La mayoría de los sistemas actuales utilizan componentes discretos y voluminosos.

Para abordar estos desafíos y hacer avanzar el campo, están surgiendo varias líneas de investigación prometedoras:
1. Desarrollar nuevos métodos para el procesamiento de señales en tiempo real y la detección individual.
2. Explorar nuevas aplicaciones que utilicen alta sensibilidad, como la medición de microesferas líquidas.
3. Buscar la integración de fotones y electrones para reducir el tamaño y la complejidad.
4. Estudiar la interacción mejorada entre la luz y la materia en circuitos fotónicos de microondas cuánticos integrados.
5. Combinar la tecnología de fotones de microondas cuánticos con otras tecnologías cuánticas emergentes.