Koplanar antennedesign for sammenfiltrede mikrobølgesignaler som forplanter seg i friluft

Publisert av Platon

Følgere: 0

Tasio Gonzalez-Raya^1,2 og Mikel Sanz^1,2,3,4

¹Institutt for fysisk kjemi, Universitetet i Baskerland UPV / EHU, Apartado 644, 48080 Bilbao, Spania
²EHU Quantum Center, Universitetet i Baskerland UPV/EHU
³Baskisk senter for anvendt matematikk (BCAM), Alameda de Mazarredo 14, 48009 Bilbao, Baskerland, Spania
⁴IKERBASQUE, Basque Foundation for Science, Plaza Euskadi 5, 48009 Bilbao, Spania

Finn dette papiret interessant eller vil diskutere? Scite eller legg igjen en kommentar på SciRate.

Abstrakt

Friluftsmikrobølgekvantekommunikasjon og metrologiprotokoller må kunne overføre kvanteressurser fra en kryostat, der de er opprettet, til et miljø dominert av termisk støy. Faktisk genereres tilstandene som bærer slike kvanteressurser i en kryostat karakterisert ved en temperatur $T_text{in} simeq 50 $ mK og en indre impedans $Z_text{in} = 50 , Omega$. Deretter kreves det en antennelignende enhet for å overføre dem med minimalt tap til friluft, karakterisert ved en egenimpedans på $Z_text{out} = 377 , Omega$ og en temperatur $T_text{out} simeq 300$ K. Denne enheten oppnår en jevn impedanstilpasning mellom kryostaten og friluft. Her studerer vi overføringen av to-modus klemte termiske tilstander, og utvikler en teknikk for å designe den optimale formen til en koplanar antenne for å bevare sammenfiltringen. Basert på en numerisk optimaliseringsprosedyre finner vi den optimale formen på impedansen, og vi foreslår en funksjonell ansatz for å kvalitativt beskrive denne formen. I tillegg avslører denne studien at reflektiviteten til antennen er veldig følsom for denne formen, slik at små endringer dramatisk påvirker den utgående sammenfiltringen, noe som kunne vært en begrensning i tidligere eksperimenter med kommersielle antenner. Dette arbeidet er relevant innen feltene mikrobølgekvantesansing og kvantemetrologi med spesiell anvendelse på utviklingen av kvanteradaren, så vel som enhver friluftsmikrobølgekvantekommunikasjonsprotokoll.

Utvalgt bilde: Et kvantemikrobølgesignal, generert inne i en kryostat, blir overført til friluft av en antenne.

Populært sammendrag

De siste årene har fremskrittene innen kontrollerbarhet, skalerbarhet og koherens av superledende kretser ført til blomstringen av den forplantende kvantemikrobølgeteknologien. Dette hadde en dyp innvirkning på feltene kvantekommunikasjon og kvantesansing. Faktisk har en forbedret verktøykasse av kvanteenheter, bestående av JPA-er, HEMT-er, fotodetektorer og fototellere, vært til nytte for eksperimenter på disse feltene, som nå er i ferd med å flytte inn i ledig plass. Dette støttes av tidlige eksperimenter på retningen til en kvanteradar i friluft av gruppene til CM Wilson og JM Fink, samt noen teoretiske forslag for friluftsmikrobølgekvantekommunikasjon.

Disse eksperimentene og forslagene er avhengige av effektiv sammenfiltringsdistribusjon. I mikrobølgeregimet genereres sammenfiltrede tilstander i en kryostat ved temperaturer under 50 mK for å redusere termisk støy. Impedansen som brukes i superledende kretsteknologi er 50 Ω, siden denne er tilpasset tilgjengelig klassisk kontrollelektronikk. I motsetning til dette er impedansen i friluft rundt 377 Ω og temperaturen ca. 300 K. Da krever den trådløse overføringen av kvantesignaler en antenne, i hovedsak et inhomogent medium som utfører impedanstilpasningen mens sammenfiltringsegenskapene opprettholdes. Bemerkelsesverdig nok er effektiviteten til sammenfiltringsoverføringen ekstremt følsom for impedansfunksjonen inne i hulrommet, og følgelig for antennens form. I vårt manuskript får vi den optimale formen til en koplanar antenne spesielt designet for sammenfiltringsfordeling i friluft og viser dens høye følsomhet for små ufullkommenheter i antennens form. For eksempel, etter våre beregninger, har bruken av kommersielle antenner i de nevnte eksperimentene mot kvanteradarer dramatisk bidratt til den mislykkede sammenfiltringsfordelingen, siden avvik over 3 % fra den optimale formen fullstendig ødelegger kvantekorrelasjoner.

Dette arbeidet har applikasjoner i trådløse mikrobølgekvantekommunikasjonsprotokoller som krever effektive sammenfiltringsdistribusjonsteknikker, så vel som i kvantesensor- og kvantemetrologiprotokoller som fungerer i mikrobølgeregimet, spesielt for kvanteradarer.

► BibTeX-data

@artikkel{GonzalezRaya2022coplanarantenna, doi = {10.22331/q-2022-08-23-783}, url = {https://doi.org/10.22331/q-2022-08-23-783}, tittel = {Coplanar {A}ntenna {D}esign for {M}icrobølge {E}ntangled {S}ignaler {P}propagating i {O}pen {A}ir}, forfatter = {Gonzalez-Raya, Tasio og Sanz, Mikel}, journal = {{Quantum}}, issn = {2521-327X}, publisher = {{Verein zur F{“{o}}rderung des Open Access Publizierens in the Quantenwissenschaften}}, volum = {6}, sider = {783}, måned = aug, år = {2022} }

► Referanser

[1] J. Koch, TM Yu, J. Gambetta, AA Houck, DI Schuster, J. Majer, A. Blais, MH Devoret, SM Girvin og RJ Schoelkopf, Ladningsufølsom qubit-design avledet fra Cooper-parboksen, Phys. Rev. A 76, 042319 (2007). DOI: 10.1103/PhysRevA.76.042319.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.76.042319

[2] F. Arute et al., Quantum supremacy using a programmerbar superledende prosessor, Nature 574, 505 (2019). DOI: 10.1038/s41586-019-1666-5.
https://doi.org/10.1038/s41586-019-1666-5

[3] KG Fedorov et al., Finite-time quantum entanglement in propagering pressede mikrobølger, Sci. Rep. 8, 6416 (2018). DOI: 10.1038/s41598-018-24742-z.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-018-24742-z

[4] S. Pogorzalek et al., Secure quantum remote state preparation of squeezed microwave states, Nat. Comm. 10, 2604 (2019). DOI: 10.1038/s41467-019-10727-7.
https://doi.org/10.1038/s41467-019-10727-7

[5] KG Fedorov et al., Eksperimentell kvanteteleportering av forplantende mikrobølger, Sci. Adv. 7, eabk0891 (2021). DOI: 10.1126/sciadv.abk0891.
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abk0891

[6] F. Fesquet et al., Perspectives of microwave quantum key distribution in open-air, arXiv: 2203.05530 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2203.05530.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2203.05530

[7] T. Gonzalez-Raya et al., Open-Air Microwave Entanglement Distribution for Quantum Teleportation, arXiv:2203.07295 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2203.07295. Godkjent i Fysisk gjennomgang brukt.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2203.07295
arxiv: 2203.07295

[8] D. Cuomo, M. Caleffi og AS Cacciapuoti, Towards a Distributed Quantum Computing Ecosystem, ET Quantum Communication 1, 3 (2020). DOI: 10.1049/iet-qtc.2020.0002.
https:///doi.org/10.1049/iet-qtc.2020.0002

[9] M. Sanz, U. Las Heras, JJ Garcia-Ripoll, E. Solano og R. Di Candia, Quantum Estimation Methods for Quantum Illumination, Phys. Rev. Lett. 118, 070803 (2017). DOI: 10.1103/PhysRevLett.118.070803.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.118.070803

[10] U. Las Heras, R. Di Candia, KG Fedorov, F. Deppe, M. Sanz og E. Solano, kvantebelysning avslører faseskift-induserende maskering, Sci. Rep. 7, 9333 (2017). DOI: 10.1038/s41598-017-08505-w.
https: / / doi.org/ 10.1038 / s41598-017-08505-w

[11] M. Reichert, R. Di Candia, MZ Win og M. Sanz, Quantum-Enhanced Doppler Radar/Lidar, arXiv: 2203.16424 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2203.16424.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2203.16424

[12] M. Sanz, KG Fedorov, F. Deppe og E. Solano, Challenges in Open-air Microwave Quantum Communication and Sensing, IEEE Conference on Antenna Measurements & Applications (CAMA), 1-4 (2018). DOI: 10.1109/CAMA.2018.8530599.
https:///doi.org/10.1109/CAMA.2018.8530599

[13] M. Casariego et al., Propagating Quantum Microwaves: Towards Applications in Communication and Sensing, arXiv: 2205.11424 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.2205.11424.
https:///doi.org/10.48550/arXiv.2205.11424

[14] M. Mariantoni et al., Planck Spectroscopy and Quantum Noise of Microwave Beam Splitters, Phys. Rev. Lett. 105, 133601 (2010). DOI: 10.1103/PhysRevLett.105.133601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.105.133601

[15] C. Eichler, D. Bozyigit, C. Lang, M. Baur, L. Steffen, JM Fink, S. Filipp og A. Wallraff, Observation of Two-Mode Squeezing in the Microwave Frequency Domain, Phys. Rev. Lett. 107, 113601 (2011). DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.113601.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.107.113601

[16] EP Menzel et al., Path Entanglement of Continuous-Variable Quantum Microwaves, Phys. Rev. Lett. 109, 252502 (2012). DOI: 10.1103/PhysRevLett.109.250502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.109.250502

[17] S. Pogorzalek et al., Hysteretic Flux Response and Non-degenerate Gain of Flux-Driven Josephson Parametric Amplifiers, Phys. Rev. Appl. 8, 024012 (2018). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.024012.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.8.024012

[18] KG Fedorov et al., Displacement of Propagating Squeezed Microwave States, Phys. Rev. Lett. 117, 020502 (2016). DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.020502.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevLett.117.020502

[19] SR Sathyamoorthy, TM Stace og G. Johansson, Detecting itinerant single microwave photons, Comptes Rendus Physique 17, 756 (2016). DOI: 10.1016/j.crhy.2016.07.010.
https: / / doi.org/ 10.1016 / j.crhy.2016.07.010

[20] S. Kono, K. Koshino, Y. Tabuchi, A. Noguchi og Y. Nakamura, Quantum non-demolition detection of an ambulant microwave photon, Nat. Phys. 14, 546 (2018). DOI: 10.1038/s41567-018-0066-3.
https://doi.org/10.1038/s41567-018-0066-3

[21] R. Dassonneville, R. Assouly, T. Peronnin, P. Rouchon og B. Huard, Number-resolved photocounter for propagating microwave mode, Phys. Rev. Søkt 14, 044022 (2020). DOI: 10.1103/PhysRevApplied.14.044022.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevApplied.14.044022

[22] JCG Lesurf, Sky noise (1995). [På nett]. Internett: www.st-andrews.ac.uk/www pa/Scots Guide/RadCom/part8/page3.html.
https:///www.st-andrews.ac.uk/~www_pa/Scots_Guide/RadCom/part8/page3.html

[23] CW Sandbo Chang, AM Vadiraj, J. Bourassa, B. Balaji og CM Wilson, Quantum-enhanced noise radar, Appl. Phys. Lett. 114, 112601 (2019). DOI: 10.1063/1.5085002.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.5085002

[24] D. Luong, CW Sandbo Chang, AM Vadiraj, A. Damini, CM Wilson og B. Balaji, mottakerdriftsegenskaper for en prototype kvante to-modus klemradar, IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems 56, 2041 (2020). DOI: 10.1109/TAES.2019.2951213.
https:///doi.org/10.1109/TAES.2019.2951213

[25] S. Barzanjeh, S. Pirandola, D. Vitali og JM Fink, Mikrobølgekvantebelysning ved bruk av en digital mottaker, Sci. Adv. 6, 19 (2020). DOI: 10.1126/sciadv.abb0451.
https:///doi.org/10.1126/sciadv.abb0451

[26] DM Pozar, Mikrobølgeteknikk, (John Wiley & sønner, 2012).

[27] R. Di Candia et al., Quantum teleportation of propagating quantum microwaves, EPJ Quantum Technology 2, 25 (2015). DOI: 10.1140/epjqt/s40507-015-0038-9.
https://doi.org/10.1140/epjqt/s40507-015-0038-9

[28] MS Kim, W. Son, V. Buzek og PL Knight, Entanglement by a beam splitter: Nonclassicality as a prerequisite for entanglement, Phys. Rev. A 65, 032323 (2002). DOI: 10.1103/PhysRevA.65.032323.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.65.032323

[29] A. Serafini, F. Illuminati, MGA Paris og S. De Siena, Entanglement and purity of two-mode gaussian states in noisy channels, Phys. Rev. A 69, 022318 (2004). DOI: 10.1103/PhysRevA.69.022318.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.69.022318

[30] G. Adesso og F. Illuminati, Gaussiske mål på sammenfiltring versus negativiteter: Ordning av to-modus Gaussiske tilstander, Phys. Rev. A 72, 032334 (2005). DOI: 10.1103/PhysRevA.72.032334.
https: / / doi.org/ 10.1103 / PhysRevA.72.032334

[31] M. Göpl et al., Coplanar waveguide resonators for circuit quantum electrodynamics, J. Appl. Phys. 104, 113904 (2008). DOI: 10.1063/1.3010859.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.3010859

[32] JR Clem, Induktanser og dempningskonstant for en tynnfilm superledende koplanar bølgelederresonator, J. Appl. Phys. 113, 013910 (2013). DOI: 10.1063/1.4773070.
https: / / doi.org/ 10.1063 / 1.4773070

[33] R. De Paolis et al., Kretsmodell av karbon-nanorørblekk for mikroelektroniske og mikrobølgeavstembare enheter, IEEE MTT-S International Microwave Symposium, s. 1-4 (2011). DOI: 10.1109/MWSYM.2011.5972853.
https:///doi.org/10.1109/MWSYM.2011.5972853

[34] KA Al Shamaileh, NI Dib og SA Abushamleh, Breddevarierende lederstøttet Coplanar Waveguide-basert lavpassfilter med konstant signalspor til tilstøtende jordseparasjon, IET Microwaves, Antennas & Propagation 13 (3), 386 (2019). DOI: 10.1049/iet-map.2018.5394.
https:///doi.org/10.1049/iet-map.2018.5394

Sitert av

[1] Tasio Gonzalez-Raya, Mateo Casariego, Florian Fesquet, Michael Renger, Vahid Salari, Mikko Möttönen, Yasser Omar, Frank Deppe, Kirill G. Fedorov og Mikel Sanz, "Open-Air Microwave Entanglement Distribution for Quantum Teleportation", arxiv: 2203.07295.

[2] Florian Fesquet, Fabian Kronowetter, Michael Renger, Qiming Chen, Kedar Honasoge, Oscar Gargiulo, Yuki Nojiri, Achim Marx, Frank Deppe, Rudolf Gross og Kirill G. Fedorov, "Perspectives of microwave quantum key distribution in open-air" ", arxiv: 2203.05530.

[3] Mateo Casariego, Yasser Omar og Mikel Sanz, "Bi-frequency ilmination: a quantum-enhanced protocol", arxiv: 2010.15097.

[4] Mateo Casariego, Emmanuel Zambrini Cruzeiro, Stefano Gherardini, Tasio Gonzalez-Raya, Rui André, Gonçalo Frazão, Giacomo Catto, Mikko Möttönen, Debopam Datta, Klaara Viisanen, Joonas Govenius, Mika Tuomcherinen, Michael Reilian, Reilian Reinger, Kimmo Reinger. , Kirill G. Fedorov, Frank Deppe, Harriet van der Vliet, AJ Matthews, Yolanda Fernández, R. Assouly, R. Dassonneville, B. Huard, Mikel Sanz og Yasser Omar, “Propagating Quantum Microwaves: Towards Applications in Communication and Sensing ", arxiv: 2205.11424.

Sitatene ovenfor er fra SAO / NASA ADS (sist oppdatert vellykket 2022-08-24 01:51:10). Listen kan være ufullstendig fordi ikke alle utgivere gir passende og fullstendige sitasjonsdata.

On Crossrefs siterte tjeneste ingen data om sitering av verk ble funnet (siste forsøk 2022-08-24 01:51:08).

Denne artikkelen er utgitt i Quantum under Creative Commons Attribution 4.0 International (CC BY 4.0) tillatelse. Opphavsrett forblir hos de opprinnelige rettighetshaverne som forfatterne eller institusjonene deres.