تقنية الموجات الميكروية الكمومية

الكمالموجات الميكروية البصريةتكنولوجيا
تقنية الموجات الدقيقة البصريةأصبح مجال الفوتونيات الميكروية مجالًا واعدًا، يجمع بين مزايا التقنيات البصرية والميكروية في معالجة الإشارات والاتصالات والاستشعار وغيرها. مع ذلك، تواجه أنظمة الفوتونيات الميكروية التقليدية بعض القيود الرئيسية، لا سيما فيما يتعلق بعرض النطاق الترددي والحساسية. وللتغلب على هذه التحديات، بدأ الباحثون باستكشاف الفوتونيات الميكروية الكمومية، وهو مجال جديد واعد يجمع بين مفاهيم التكنولوجيا الكمومية والفوتونيات الميكروية.

أساسيات تكنولوجيا الموجات الميكروية الكمومية
جوهر تكنولوجيا الموجات الميكروية الكمومية هو استبدال البصريات التقليديةكاشف ضوئيفيوصلة الفوتون بالميكروويفباستخدام كاشف ضوئي أحادي الفوتون عالي الحساسية. وهذا يسمح للنظام بالعمل عند مستويات طاقة ضوئية منخفضة للغاية، حتى مستوى الفوتون الواحد، مع إمكانية زيادة عرض النطاق الترددي.
تشمل أنظمة الفوتونات الميكروية الكمومية النموذجية ما يلي: 1. مصادر الفوتون المفرد (مثل الليزر المخفف 2.مُعدِّل كهروضوئيلترميز إشارات الميكروويف/الترددات الراديوية 3. مكون معالجة الإشارات الضوئية 4. كاشفات الفوتونات المفردة (مثل كاشفات الأسلاك النانوية فائقة التوصيل) 5. أجهزة إلكترونية لعد الفوتونات المفردة المعتمدة على الزمن (TCSPC)
يوضح الشكل 1 المقارنة بين وصلات الفوتونات الميكروية التقليدية ووصلات الفوتونات الميكروية الكمومية:

يكمن الاختلاف الرئيسي في استخدام كاشفات الفوتونات المفردة ووحدات TCSPC بدلاً من الثنائيات الضوئية عالية السرعة. وهذا يُمكّن من الكشف عن الإشارات الضعيفة للغاية، مع إمكانية توسيع نطاق التردد إلى ما يتجاوز حدود الكاشفات الضوئية التقليدية.

مخطط الكشف عن الفوتون الواحد
يُعدّ نظام الكشف عن الفوتون الواحد بالغ الأهمية لأنظمة الفوتونات الكمومية الميكروية. وتتلخص آلية عمله فيما يلي: 1. تُرسل إشارة تحفيز دورية متزامنة مع الإشارة المقاسة إلى وحدة TCSPC. 2. يُخرج كاشف الفوتون الواحد سلسلة من النبضات التي تُمثل الفوتونات المكتشفة. 3. تقيس وحدة TCSPC الفرق الزمني بين إشارة التحفيز وكل فوتون مكتشف. 4. بعد عدة دورات تحفيز، يتم إنشاء مُخطط زمني للكشف. 5. يُمكن لهذا المُخطط إعادة بناء شكل موجة الإشارة الأصلية. رياضيًا، يُمكن إثبات أن احتمال اكتشاف فوتون في لحظة زمنية مُعينة يتناسب طرديًا مع القدرة الضوئية في تلك اللحظة. لذا، يُمكن لمُخطط زمن الكشف أن يُمثل بدقة شكل موجة الإشارة المقاسة.

المزايا الرئيسية لتكنولوجيا الموجات الميكروية الكمومية
بالمقارنة مع أنظمة الموجات الميكروية البصرية التقليدية، تتمتع تقنية الفوتونات الكمومية للموجات الميكروية بعدة مزايا رئيسية: 1. حساسية فائقة: تكشف الإشارات الضعيفة للغاية وصولاً إلى مستوى الفوتون الواحد. 2. زيادة عرض النطاق الترددي: لا يقتصر على عرض نطاق الكاشف الضوئي، بل يتأثر فقط باضطراب التوقيت لكاشف الفوتون الواحد. 3. مقاومة محسّنة للتداخل: يمكن لإعادة بناء TCSPC تصفية الإشارات غير المتزامنة مع إشارة التشغيل. 4. ضوضاء أقل: تجنب الضوضاء الناتجة عن الكشف والتضخيم الكهروضوئي التقليديين.