Kvanteradio kan hjælpe med kommunikation og kortlægning indendørs, under jorden og under vandet

Forskere ved National Institute of Standards and Technology (NIST) har påvist, at kvantefysik kan muliggøre kommunikation og kortlægning på steder, hvor GPS og almindelige mobiltelefoner og radioer ikke fungerer pålideligt eller endda overhovedet, såsom indendørs, i bykløfter, under vandet og under jorden.

Teknologien kan hjælpe søfolk, soldater og landmålere, blandt andre. GPS-signaler trænger ikke særlig dybt eller overhovedet i vand, jord eller bygningsvægge, og derfor, kan ikke bruges af ubåde eller i underjordiske aktiviteter såsom opmåling af miner. GPS fungerer muligvis heller ikke godt indendørs eller endda udendørs blandt byens skyskrabere. For soldater, radiosignaler kan blive blokeret i miljøer, der er rodet med murbrokker eller mange forstyrrende elektromagnetiske enheder under militære eller katastrofeoprettelsesmissioner.

NIST-teamet eksperimenterer med lavfrekvent magnetisk radio - meget lavfrekvente (VLF) digitalt modulerede magnetiske signaler - som kan rejse længere gennem byggematerialer, vand og jord end konventionelle elektromagnetiske kommunikationssignaler ved højere frekvenser.

VLF elektromagnetiske felter bruges allerede under vandet i ubådskommunikation. Men der er ikke nok databærende kapacitet til lyd eller video, kun envejstekster. Ubåde skal også trække besværlige antennekabler, sænk farten og stige til periskopdybde (18 meter, eller omkring 60 fod, under overfladen) for at kommunikere.

"De store problemer med meget lavfrekvent kommunikation, inklusive magnetisk radio, er dårlig modtagerfølsomhed og ekstremt begrænset båndbredde af eksisterende sendere og modtagere. Dette betyder, at datahastigheden er nul, " NIST-projektleder Dave Howe sagde.

"Den bedste magnetfeltfølsomhed opnås ved brug af kvantesensorer. Den øgede følsomhed fører i princippet til længere kommunikationsrækkevidde. Kvantetilgangen giver også mulighed for at få kommunikation med høj båndbredde, som en mobiltelefon har. Vi har brug for båndbredde til at kommunikere med lyd under vandet og i andre forbudte miljøer, " han sagde.

Som et skridt mod det mål, NIST-forskerne demonstrerede detektion af digitalt modulerede magnetiske signaler, det er, meddelelser bestående af digitale bit 0 og 1, af en magnetfeltsensor, der er afhængig af rubidium-atomernes kvanteegenskaber. NIST-teknikken varierer magnetiske felter for at modulere eller kontrollere frekvensen - specifikt, de vandrette og lodrette positioner af signalets bølgeform - produceret af atomerne.

"Atomer giver meget hurtig respons plus meget høj følsomhed, Howe sagde. "Klassisk kommunikation involverer en afvejning mellem båndbredde og følsomhed. Vi kan nu få begge dele med kvantesensorer."

Traditionelt, sådanne atommagnetometre bruges til at måle naturligt forekommende magnetiske felter, men i dette NIST-projekt, de bliver brugt til at modtage kodede kommunikationssignaler. I fremtiden, NIST-teamet planlægger at udvikle forbedrede sendere. Forskerne har offentliggjort deres resultater i Gennemgang af videnskabelige instrumenter .

Kvantemetoden er mere følsom end konventionel magnetisk sensorteknologi og kan bruges til at kommunikere, sagde Howe. Forskerne demonstrerede også en signalbehandlingsteknik til at reducere miljømagnetisk støj, fra el-nettet, hvilket ellers begrænser kommunikationsområdet. Det betyder, at modtagere kan registrere svagere signaler, eller signalområdet kan øges, sagde Howe.

For disse undersøgelser, NIST udviklede et jævnstrømsmagnetometer (DC), hvor polariseret lys bruges som en detektor til at måle "spin" af rubidium-atomer induceret af magnetiske felter. Atomerne er i en lille glasbeholder. Ændringer i atomernes spinhastighed svarer til en oscillation i DC-magnetfelterne, skabe elektroniske vekselstrømssignaler, eller spændinger ved lysdetektoren, som er mere nyttige til kommunikation.

Sådanne "optisk pumpede" magnetometre, ud over høj følsomhed, tilbyder fordele såsom stuetemperaturdrift, lille størrelse, lav effekt og omkostninger, og reduceret interferens. En sensor af denne type vil ikke drive eller kræve kalibrering.

I NIST-testene, sensoren detekterede signaler væsentligt svagere end typisk omgivende magnetfeltstøj. Sensoren detekterede digitalt modulerede magnetfeltsignaler med styrker på 1 picotesla (en milliontedel af Jordens magnetfeltstyrke) og ved meget lave frekvenser, under 1 kilohertz (kHz). (Dette er under frekvenserne for VLF-radio, som spænder over 3-30 kHz og bruges til nogle regerings- og militærtjenester.) Modulationsteknikkerne undertrykte den omgivende støj og dens harmoniske, eller multipla, effektivt at øge kanalkapaciteten.

Forskerne udførte også beregninger for at estimere kommunikations- og placeringsgrænser. Det rumlige område svarende til et godt signal-til-støj-forhold var snesevis af meter i det indendørs støjmiljø i NIST-testene, men kunne udvides til hundredvis af meter, hvis støjen blev reduceret til sensorens følsomhedsniveauer. "Det er bedre end hvad der er muligt indendørs nu, " sagde Howe.

Det er mere udfordrende at finde placeringen. Den målte usikkerhed i lokaliseringsevnen var 16 meter, meget højere end målet på 3 meter, men denne metrik kan forbedres gennem fremtidige støjdæmpningsteknikker, øget sensor båndbredde, og forbedrede digitale algoritmer, der nøjagtigt kan udtrække afstandsmålinger, Howe forklarede.

For at forbedre ydeevnen yderligere, NIST-teamet bygger og tester nu et brugerdefineret kvantemagnetometer. Som et atomur, enheden vil detektere signaler ved at skifte mellem atomernes indre energiniveauer samt andre egenskaber, sagde Howe. Forskerne håber at udvide rækkevidden af ​​lavfrekvente magnetfeltsignaler ved at øge sensorens følsomhed, undertrykke støj mere effektivt, og øge og effektivt bruge sensorens båndbredde.

NIST-strategien kræver at opfinde et helt nyt felt, som kombinerer kvantefysik og lavfrekvent magnetisk radio, sagde Howe. Holdet planlægger at øge følsomheden ved at udvikle lavstøjsoscillatorer for at forbedre timingen mellem sender og modtager og studere, hvordan man bruger kvantefysik til at overgå eksisterende båndbreddegrænser.

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra NIST. Læs den originale historie her.