양자 마이크로파 포토닉스 기술 적용

양자의 응용마이크로파 포토닉스 기술

약한 신호 감지
양자 마이크로파 포토닉스 기술의 가장 유망한 응용 분야 중 하나는 극도로 약한 마이크로파/RF 신호를 감지하는 것입니다. 단일 광자 감지를 활용함으로써 이러한 시스템은 기존 방법보다 훨씬 더 민감합니다. 예를 들어, 연구원들은 전자 증폭 없이 -112.8dBm의 낮은 신호를 감지할 수 있는 양자 마이크로파 광자 시스템을 시연했습니다. 이 초고감도는 장거리 통신과 같은 응용 분야에 이상적입니다.

마이크로파 포토닉스신호 처리
양자 마이크로파 포토닉스는 또한 위상 편이 및 필터링과 같은 고대역폭 신호 처리 기능을 구현합니다. 연구진은 분산형 광학 소자를 사용하고 빛의 파장을 조정함으로써 RF 위상이 최대 8GHz까지 이동하고 RF 필터링 대역폭은 최대 8GHz까지 이동한다는 사실을 입증했습니다. 중요한 것은 이러한 기능이 모두 3GHz 전자 장치를 사용하여 달성된다는 것입니다. 이는 성능이 기존 대역폭 제한을 초과한다는 것을 보여줍니다.

비국소적 주파수-시간 매핑
양자 얽힘으로 인해 발생하는 흥미로운 기능 중 하나는 비국소 주파수를 시간에 매핑하는 것입니다. 이 기술은 연속파 펌핑 단일 광자 소스의 스펙트럼을 원격 위치의 시간 영역에 매핑할 수 있습니다. 이 시스템은 한 빔이 스펙트럼 필터를 통과하고 다른 빔이 분산 요소를 통과하는 얽힌 광자 쌍을 사용합니다. 얽힌 광자의 주파수 의존성으로 인해 스펙트럼 필터링 모드는 비국소적으로 시간 영역에 매핑됩니다.
그림 1은 이 개념을 보여줍니다.

이 방법을 사용하면 측정된 광원을 직접 조작하지 않고도 유연한 스펙트럼 측정이 가능합니다.

압축 감지
양자마이크로파 광학기술은 또한 광대역 신호의 압축 감지를 위한 새로운 방법을 제공합니다. 연구자들은 양자 검출에 내재된 무작위성을 사용하여 복구가 가능한 양자 압축 감지 시스템을 시연했습니다.10GHz RF스펙트럼. 시스템은 RF 신호를 간섭성 광자의 편광 상태로 변조합니다. 그런 다음 단일 광자 감지는 압축 감지를 위한 자연스러운 무작위 측정 매트릭스를 제공합니다. 이러한 방식으로 광대역 신호를 Yarnyquist 샘플링 속도로 복원할 수 있습니다.

양자 키 분배
양자 기술은 전통적인 마이크로파 광자 애플리케이션을 향상시키는 것 외에도 양자 키 분배(QKD)와 같은 양자 통신 시스템을 향상시킬 수도 있습니다. 연구진은 마이크로파 광자 하위 캐리어를 양자 키 분배(QKD) 시스템에 다중화하여 하위 캐리어 다중 양자 키 분배(SCM-QKD)를 시연했습니다. 이를 통해 여러 개의 독립적인 양자 키가 단일 파장의 빛을 통해 전송될 수 있으므로 스펙트럼 효율성이 향상됩니다.
그림 2는 이중 캐리어 SCM-QKD 시스템의 개념과 실험 결과를 보여줍니다.

양자 마이크로파 포토닉스 기술은 유망하지만 여전히 몇 가지 과제가 있습니다.
1. 제한된 실시간 기능: 현재 시스템은 신호를 재구성하는 데 많은 축적 시간이 필요합니다.
2. 버스트/단일 신호 처리의 어려움: 재구성의 통계적 특성으로 인해 반복되지 않는 신호에 대한 적용이 제한됩니다.
3. 실제 마이크로파 파형으로 변환: 재구성된 히스토그램을 사용 가능한 파형으로 변환하려면 추가 단계가 필요합니다.
4. 장치 특성: 결합된 시스템에서 양자 및 마이크로파 광소자의 동작에 대한 추가 연구가 필요합니다.
5. 통합: 오늘날 대부분의 시스템은 부피가 큰 개별 구성 요소를 사용합니다.

이러한 과제를 해결하고 해당 분야를 발전시키기 위해 다음과 같은 유망한 연구 방향이 많이 등장하고 있습니다.
1. 실시간 신호 처리 및 단일 감지를 위한 새로운 방법을 개발합니다.
2. 액체 미소구체 측정 등 고감도를 활용하는 새로운 애플리케이션을 탐색해 보세요.
3. 크기와 복잡성을 줄이기 위해 통합된 광자와 전자의 구현을 추구합니다.
4. 통합 양자 마이크로파 광자 회로에서 강화된 빛-물질 상호 작용을 연구합니다.
5. 양자 마이크로파 광자 기술을 다른 신흥 양자 기술과 결합합니다.