- 新型混合設備可在室温下運行，推動雷達和傳感器技術。
- 研究團隊利用磁性薄膜生成相關微波信號，無需低温超導電路。
- 混合設備能生成抗噪聲的通信系統，提升信息解碼能力。
- 該技術可廣泛應用於安全通信和量子模擬器的運行。
麻省理工學院的研究人員開發了一種新型混合可擴展設備，該設備可利用量子技術為下一代雷達和傳感器提供動力，並且能在室温下運行。這一創新可能為先進信號處理和安全通信開闢新天地，無需傳統量子技術所需的大型及昂貴冷卻設備。現今高性能雷達系統能夠檢測極為微弱的信號，其關鍵在於微波光子，這是這些系統中使用的基本粒子。科學家們通過一種名為約瑟夫森接頭的設備，可以將一個微波光子分裂成兩個相關光子，其中一個用於編碼信號，另一個則用於解碼。
約瑟夫森接頭隸屬於超導電路，這些電路在安全通信網絡中也有應用。然而，這些超導電路需要在攝氏零下 273 度（−459°F）以下的温度下運行，這只能通過能量密集、體積龐大且昂貴的低温機器來實現。
新方法無需低温運行
由麻省理工學院電機工程與計算機科學系的副教授劉駱喬領導的研究團隊，在進行其他研究時意識到，生成相關微波信號並不需要低温超導電路，而是可以利用磁鐵來實現。這種方法相對簡單，只需將一層磁性薄膜放置在微波諧振器中。利用此設備，研究人員能夠將進入的微波光子分裂成一對頻率不同的同步信號。更重要的是，他們在室温下實現了這一過程。該設備利用磁激子（magnons），這是微小的磁能量包。
在微波光子被注入磁性系統時，會生成一對頻率相同的磁激子，因此研究人員必須將其分開：一個可用於信號傳輸，另一個則用於檢測。
由研究團隊建造的混合設備可生成混合的磁激子-光子波，這些波具有同步信號但頻率各異。這種方法的優勢在於，攔截信號的攻擊者若無法獲得匹配的頻率，便無法解碼信號，這個頻率就像密碼一樣。劉教授在新聞稿中表示：「磁激子系統展現了極為豐富的非線性動力學，但這些非線性尚未被用於實際應用。通過利用磁激子與微波光子之間耦合引起的能級排斥，我們能夠在頻率上分離這兩個磁激子。」他們的設備可用於建立一個抗噪聲的通信系統，接收方即使在傳輸過程中隨機數據幹擾的情況下也能解碼信息。
這些微波信號還有助於量子模擬器的運行，這些設備正被開發用於對亞原子粒子進行複雜計算，並用於預測新藥物和材料。
技術的廣泛應用前景
由於這些信號可以在室温下生成，這一方法成本較低且可擴展，使其在現實場景中的部署更具可能性。加拿大曼尼託巴大學物理與天文學教授胡燦明指出：「這一突破將廣泛影響安全的微波通信、硬體隨機數生成、基於相關性信號處理及智能微波感測，所有這些都能在室温下的經典範疇內運行。」他補充説：「展望未來，這一平台可能會被記住為實現基於非線性腔磁激子的量子啟發微波感測和通信技術的起點。」
這項研究成果已發表在《自然電子學》期刊上。
新型量子裝置的潛在影響
麻省理工學院的研究顯示，量子技術不再需要昂貴的低温設備，這將使得相關應用更具可行性。這項技術不僅能提升雷達和傳感器的性能，還能在安全通信中提供更高的抗干擾能力。隨著室温下的操作，這一創新可能會促進量子技術的普及，並為未來的微波通信和量子模擬器開辟新機會，對相關行業產生深遠影響。