量子マイクロ波フォトニクス技術の応用

量子の応用マイクロ波フォトニクス技術

微弱信号検出
量子マイクロ波フォトニクス技術の最も有望な用途の 1 つは、非常に弱いマイクロ波/RF 信号の検出です。単一光子検出を利用することにより、これらのシステムは従来の方法よりもはるかに感度が高くなります。たとえば、研究者らは、電子増幅を行わずに-112.8 dBmもの低い信号を検出できる量子マイクロ波フォトニックシステムを実証しました。この超高感度により、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などの高帯域幅信号処理機能も実装します。研究者らは、分散光学素子を使用して光の波長を調整することにより、RF 位相が最大 8 GHz までシフトし、RF フィルタリング帯域幅が最大 8 GHz になるという事実を実証しました。重要なのは、これらの機能はすべて 3 GHz 電子機器を使用して実現されており、そのパフォーマンスが従来の帯域幅制限を超えていることを示しています。

非ローカル周波数から時間へのマッピング
量子もつれによってもたらされる興味深い機能の 1 つは、非局所周波数を時間にマッピングすることです。この技術により、連続波励起単一光子源のスペクトルを遠隔地で時間領域にマッピングできます。このシステムは、一方のビームがスペクトル フィルターを通過し、もう一方のビームが分散要素を通過する、もつれ合った光子ペアを使用します。もつれ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。

この方法により、測定光源を直接操作することなく、柔軟なスペクトル測定が実現できます。

圧縮センシング
量子マイクロ波光学このテクノロジーは、広帯域信号の圧縮センシングのための新しい方法も提供します。研究者らは、量子検出に固有のランダム性を利用して、次のことを回復できる量子圧縮センシング システムを実証しました。10GHz RFスペクトル。このシステムは、コヒーレント光子の偏光状態に合わせて RF 信号を変調します。単一光子検出は、圧縮センシングのための自然なランダム測定行列を提供します。このようにして、広帯域信号を Yarnyquist サンプリング レートで復元できます。

量子鍵配布
量子技術は、従来のマイクロ波フォトニック アプリケーションの強化に加えて、量子鍵配布 (QKD) などの量子通信システムも改善できます。研究者らは、マイクロ波光子の副搬送波を量子鍵配布（QKD）システム上に多重化することにより、副搬送波多重量子鍵配布（SCM-QKD）を実証した。これにより、複数の独立した量子鍵を単一波長の光で送信できるようになり、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. 限られたリアルタイム機能: 現在のシステムでは、信号を再構築するために多くの蓄積時間を必要とします。
2. バースト/単一信号の処理の難しさ: 再構成の統計的性質により、非反復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: 再構成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. デバイスの特性: 組み合わせたシステムにおける量子およびマイクロ波フォトニックデバイスの動作についてのさらなる研究が必要です。
5. 統合: 今日のほとんどのシステムは、かさばる個別のコンポーネントを使用しています。

これらの課題に対処し、この分野を前進させるために、多くの有望な研究の方向性が現れています。
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します。
2. 液体微小球測定など、高感度を利用した新しいアプリケーションを探索します。
3. サイズと複雑さを軽減するために、統合された光子と電子の実現を追求します。
4. 集積量子マイクロ波フォトニック回路における光と物質の相互作用の強化を研究します。
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。