تطبيق تكنولوجيا الفوتونيات الكمومية للميكروويف

تطبيق الكمتكنولوجيا الفوتونيات الميكروويفية

كشف الإشارة الضعيفة
من أبرز التطبيقات الواعدة لتقنية فوتونيات الموجات الدقيقة الكمومية الكشف عن إشارات الموجات الدقيقة/الترددات الراديوية شديدة الضعف. باستخدام الكشف عن فوتون واحد، أصبحت هذه الأنظمة أكثر حساسية بكثير من الطرق التقليدية. على سبيل المثال، أظهر الباحثون نظامًا فوتونيًا كميًا للموجات الدقيقة قادرًا على الكشف عن إشارات منخفضة تصل إلى -112.8 ديسيبل ميلي واط دون أي تضخيم إلكتروني. هذه الحساسية الفائقة تجعله مثاليًا لتطبيقات مثل اتصالات الفضاء العميق.

فوتونيات الميكروويفمعالجة الإشارات
تُطبّق فوتونيات الموجات الدقيقة الكمومية أيضًا وظائف معالجة إشارات عالية النطاق الترددي، مثل إزاحة الطور والترشيح. باستخدام عنصر بصري مُشتّت وضبط طول موجة الضوء، أثبت الباحثون أن إزاحة طور الترددات الراديوية تصل إلى 8 جيجاهرتز، مع ترشيح الترددات الراديوية في نطاقات تردد تصل إلى 8 جيجاهرتز. والأهم من ذلك، أن هذه الميزات تُحقّق جميعها باستخدام إلكترونيات بتردد 3 جيجاهرتز، مما يُظهر أن الأداء يتجاوز حدود النطاق الترددي التقليدية.

تعيين التردد غير المحلي إلى الوقت
من القدرات المثيرة للاهتمام التي يوفرها التشابك الكمي ربط التردد غير المحلي بالزمن. تستطيع هذه التقنية ربط طيف مصدر فوتون واحد مُضخّ بموجة مستمرة بمجال زمني في موقع بعيد. يستخدم النظام أزواج فوتونات متشابكة، حيث يمر أحد الشعاعين عبر مرشح طيفي، ويمر الآخر عبر عنصر تشتيت. ونظرًا لاعتماد الفوتونات المتشابكة على التردد، يُربط نمط الترشيح الطيفي بشكل غير محلي بالمجال الزمني.
يوضح الشكل 1 هذا المفهوم:

يمكن لهذه الطريقة تحقيق قياس طيفي مرن دون التلاعب بشكل مباشر بمصدر الضوء المقاس.

الاستشعار المضغوط
الكمبصريات الميكروويفتُوفر هذه التقنية أيضًا طريقة جديدة للاستشعار المضغوط لإشارات النطاق العريض. باستخدام العشوائية الكامنة في الكشف الكمي، أظهر الباحثون نظام استشعار كمي مضغوط قادر على استعادةتردد راديوي 10 جيجاهرتزالأطياف. يُعدِّل النظام إشارة التردد اللاسلكي إلى حالة استقطاب الفوتون المتماسك. ثم يوفر كشف الفوتون الواحد مصفوفة قياس عشوائي طبيعية للاستشعار المضغوط. بهذه الطريقة، يمكن استعادة إشارة النطاق العريض بمعدل أخذ العينات يارنيكويست.

توزيع المفتاح الكمي
بالإضافة إلى تعزيز تطبيقات الفوتونات الميكروية التقليدية، يُمكن لتقنية الكمّ أيضًا تحسين أنظمة الاتصالات الكمّية، مثل توزيع المفاتيح الكمّية (QKD). وقد برهن الباحثون على توزيع المفاتيح الكمّية متعدد الموجات الحاملة الفرعية (SCM-QKD) عن طريق إرسال فوتونات الميكروويف الحاملة الفرعية إلى نظام توزيع المفاتيح الكمّية (QKD). يسمح هذا بنقل مفاتيح كمّية متعددة ومستقلة عبر طول موجي واحد من الضوء، مما يزيد من الكفاءة الطيفية.
يوضح الشكل 2 مفهوم ونتائج التجارب لنظام SCM-QKD ثنائي الناقل:

على الرغم من أن تكنولوجيا الفوتونيات الكمومية للميكروويف واعدة، إلا أنها لا تزال تواجه بعض التحديات:
1. القدرة المحدودة في الوقت الفعلي: يتطلب النظام الحالي قدرًا كبيرًا من وقت التراكم لإعادة بناء الإشارة.
2. صعوبة التعامل مع الإشارات المتقطعة/المفردة: الطبيعة الإحصائية لإعادة البناء تحد من إمكانية تطبيقها على الإشارات غير المتكررة.
3. التحويل إلى شكل موجة ميكروويف حقيقي: هناك خطوات إضافية مطلوبة لتحويل الهيستوجرام المعاد بناؤه إلى شكل موجة قابل للاستخدام.
4. خصائص الجهاز: هناك حاجة إلى مزيد من الدراسة لسلوك الأجهزة الفوتونية الكمومية والميكروويفية في الأنظمة المدمجة.
5. التكامل: تستخدم معظم الأنظمة اليوم مكونات منفصلة ضخمة.

ولمعالجة هذه التحديات وتطوير هذا المجال، ظهرت مجموعة من الاتجاهات البحثية الواعدة:
1. تطوير أساليب جديدة لمعالجة الإشارات في الوقت الحقيقي والكشف الفردي.
2. استكشاف التطبيقات الجديدة التي تستخدم حساسية عالية، مثل قياس المجالات المجهرية السائلة.
3. السعي إلى تحقيق التكامل بين الفوتونات والإلكترونات لتقليل الحجم والتعقيد.
4. دراسة التفاعل المعزز بين الضوء والمادة في الدوائر الفوتونية للميكروويف الكمومي المتكامل.
5. دمج تقنية فوتون الميكروويف الكمومي مع تقنيات الكم الناشئة الأخرى.