量子マイクロ波フォトニクス技術の応用

量子応用マイクロ波フォトニクス技術

弱い信号検出
量子マイクロ波フォトニクス技術の最も有望な応用の一つは、極めて微弱なマイクロ波／RF信号の検出です。単一光子検出を利用することで、これらのシステムは従来の方法よりもはるかに高感度になります。例えば、研究者らは、電子増幅を一切行わずに-112.8dBmという低周波信号を検出できる量子マイクロ波フォトニクスシステムを実証しました。この超高感度は、深宇宙通信などの用途に最適です。

マイクロ波フォトニクス信号処理
量子マイクロ波フォトニクスは、位相シフトやフィルタリングといった高帯域幅信号処理機能も実現します。分散型光学素子を用いて光の波長を調整することで、研究者らは最大8GHzのRF位相シフトと最大8GHzのRFフィルタリング帯域幅を実証しました。重要なのは、これらの機能はすべて3GHzの電子機器を用いて実現されており、従来の帯域幅の限界を超える性能を示していることです。

非局所周波数から時間へのマッピング
量子エンタングルメントによってもたらされる興味深い能力の一つは、非局所的な周波数から時間へのマッピングです。この技術は、連続波励起単一光子源のスペクトルを遠隔地における時間領域にマッピングすることができます。このシステムでは、一方のビームがスペクトルフィルタを通過し、もう一方のビームが分散素子を通過する、エンタングルメントされた光子対を使用します。エンタングルメントされた光子の周波数依存性により、スペクトルフィルタリングモードは時間領域に非局所的にマッピングされます。
図 1 はこの概念を示しています。

この方法は、測定対象光源を直接操作することなく、柔軟なスペクトル測定を実現します。

圧縮センシング
量子マイクロ波光この技術は、広帯域信号の圧縮センシングにも新たな手法を提供する。量子検出に固有のランダム性を利用することで、研究者らは、広帯域信号を復元できる量子圧縮センシングシステムを実証した。10GHz RFスペクトル。システムはRF信号をコヒーレント光子の偏光状態に合わせて変調します。そして、単一光子検出により、圧縮センシングのための自然なランダム測定行列が得られます。このようにして、広帯域信号をヤルニキスト・サンプリングレートで復元することができます。

量子鍵配送
量子技術は、従来のマイクロ波光子応用を強化するだけでなく、量子鍵配送（QKD）などの量子通信システムも改善することができます。研究者らは、マイクロ波光子のサブキャリアを量子鍵配送（QKD）システムに多重化することで、サブキャリア多重量子鍵配送（SCM-QKD）を実証しました。これにより、複数の独立した量子鍵を単一の光波長で伝送できるようになり、スペクトル効率が向上します。
図2はデュアルキャリアSCM-QKDシステムの概念と実験結果を示しています。

量子マイクロ波フォトニクス技術は有望ですが、まだいくつかの課題があります。
1. リアルタイム機能が限られている: 現在のシステムでは、信号を再構築するために長い蓄積時間が必要です。
2. バースト/単一信号の処理が困難: 再構成の統計的性質により、非繰り返し信号への適用が制限されます。
3. 実際のマイクロ波波形に変換する: 再構築されたヒストグラムを使用可能な波形に変換するには、追加の手順が必要です。
4. デバイス特性: 複合システムにおける量子光デバイスとマイクロ波光デバイスの動作については、さらに研究が必要です。
5. 統合: 今日のほとんどのシステムでは、かさばる個別のコンポーネントが使用されています。

これらの課題に対処し、この分野を前進させるために、いくつかの有望な研究方向が生まれています。
1. リアルタイム信号処理と単一検出のための新しい方法を開発する。
2. 液体マイクロスフェア測定など、高感度を活用した新しいアプリケーションを探索します。
3. サイズと複雑さを削減するために光子と電子を統合したシステムの実現を追求します。
4. 集積量子マイクロ波光回路における強化された光物質相互作用を研究する。
5. 量子マイクロ波光子技術を他の新興量子技術と組み合わせる。