Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben aangetoond dat kwantumfysica communicatie en kaarten mogelijk maakt op locaties waar GPS en gewone mobiele telefoons en radio's niet betrouwbaar of zelfs helemaal niet werken, zoals binnenshuis, in stedelijke canyons, onder water en onder de grond.

De technologie kan zeelieden helpen, soldaten en landmeters, onder andere. GPS-signalen dringen niet erg diep of helemaal niet door in water, grond of bouwmuren, en daarom, kan niet worden gebruikt door onderzeeërs of bij ondergrondse activiteiten zoals het onderzoeken van mijnen. GPS werkt mogelijk ook niet goed binnen of zelfs buiten tussen wolkenkrabbers in de stad. voor soldaten, radiosignalen kunnen worden geblokkeerd in omgevingen die vol liggen met puin of veel storende elektromagnetische apparaten tijdens militaire of rampenherstelmissies.

Het NIST-team experimenteert met laagfrequente magnetische radio - zeer lage frequentie (VLF) digitaal gemoduleerde magnetische signalen - die verder kunnen reizen door bouwmaterialen, water en bodem dan conventionele elektromagnetische communicatiesignalen bij hogere frequenties.

VLF elektromagnetische velden worden al onder water gebruikt in onderzeese communicatie. Maar er is niet genoeg datacapaciteit voor audio of video, gewoon eenrichtingsberichten. Onderzeeërs moeten ook omslachtige antennekabels slepen, vertragen en stijgen tot periscoopdiepte (18 meter, of ongeveer 60 voet, onder de oppervlakte) om te communiceren.

"De grote problemen met zeer laagfrequente communicatie, inclusief magnetische radio, is een slechte ontvangergevoeligheid en extreem beperkte bandbreedte van bestaande zenders en ontvangers. Dit betekent dat de datasnelheid nul is, "NIST-projectleider Dave Howe zei.

"De beste magnetische veldgevoeligheid wordt verkregen met behulp van kwantumsensoren. De verhoogde gevoeligheid leidt in principe tot een groter communicatiebereik. De kwantumbenadering biedt ook de mogelijkheid om communicatie met hoge bandbreedte te krijgen zoals een mobiele telefoon heeft. We hebben bandbreedte nodig om onder water en in andere verbiedende omgevingen, " hij zei.

Als een stap in de richting van dat doel, de NIST-onderzoekers demonstreerden detectie van digitaal gemoduleerde magnetische signalen, dat is, berichten bestaande uit digitale bits 0 en 1, door een magneetveldsensor die vertrouwt op de kwantumeigenschappen van rubidiumatomen. De NIST-techniek varieert magnetische velden om de frequentie te moduleren of te regelen, met name de horizontale en verticale posities van de golfvorm van het signaal - geproduceerd door de atomen.

"Atomen bieden een zeer snelle respons plus een zeer hoge gevoeligheid, " zei Howe. "Klassieke communicatie houdt een afweging in tussen bandbreedte en gevoeligheid. We kunnen nu beide krijgen met kwantumsensoren."

traditioneel, dergelijke atomaire magnetometers worden gebruikt om natuurlijk voorkomende magnetische velden te meten, maar in dit NIST-project, ze worden gebruikt om gecodeerde communicatiesignalen te ontvangen. In de toekomst, het NIST-team is van plan om verbeterde zenders te ontwikkelen. De onderzoekers hebben hun resultaten gepubliceerd in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten .

De kwantummethode is gevoeliger dan conventionele magnetische sensortechnologie en kan worden gebruikt om te communiceren, zei Howe. De onderzoekers demonstreerden ook een signaalverwerkingstechniek om magnetische omgevingsruis te verminderen, zoals van het elektriciteitsnet, die anders het communicatiebereik beperkt. Dit betekent dat ontvangers zwakkere signalen kunnen detecteren of het signaalbereik kan worden vergroot, zei Howe.

Voor deze onderzoeken NIST ontwikkelde een gelijkstroom (DC) magnetometer waarin gepolariseerd licht wordt gebruikt als een detector om de "spin" van rubidium-atomen te meten, veroorzaakt door magnetische velden. De atomen zitten in een kleine glazen container. Veranderingen in de spinsnelheid van de atomen komen overeen met een oscillatie in de magnetische DC-velden, het creëren van elektronische wisselstroom (AC) signalen, of spanningen bij de lichtdetector, die nuttiger zijn voor communicatie.

Dergelijke "optisch gepompte" magnetometers, naast hoogsensitiviteit, bieden voordelen zoals werking bij kamertemperatuur, kleine maat, laag vermogen en lage kosten, en verminderde interferentie. Een sensor van dit type zou niet driften of kalibreren.

In de NIST-tests, de sensor detecteerde signalen die aanzienlijk zwakker waren dan de typische magnetische veldruis van de omgeving. De sensor detecteerde digitaal gemoduleerde magnetische veldsignalen met een sterkte van 1 picotesla (een miljoenste van de magnetische veldsterkte van de aarde) en bij zeer lage frequenties, onder 1 kilohertz (kHz). (Dit is lager dan de frequenties van VLF-radio, die 3-30 kHz overspant en wordt gebruikt voor sommige overheids- en militaire diensten.) De modulatietechnieken onderdrukten het omgevingsgeluid en zijn harmonischen, of veelvouden, effectief verhogen van de kanaalcapaciteit.

De onderzoekers voerden ook berekeningen uit om de communicatie- en locatiebereiklimieten in te schatten. Het ruimtelijke bereik dat overeenkomt met een goede signaal-ruisverhouding was tientallen meters in de geluidsomgeving binnenshuis van de NIST-tests, maar zou kunnen worden uitgebreid tot honderden meters als de ruis werd teruggebracht tot de gevoeligheidsniveaus van de sensor. "Dat is beter dan wat nu binnenshuis mogelijk is, ' zei Hoeve.

Het lokaliseren van de locatie is een grotere uitdaging. De gemeten onzekerheid in locatiecapaciteit was 16 meter, veel hoger dan het doel van 3 meter, maar deze statistiek kan worden verbeterd door toekomstige ruisonderdrukkingstechnieken, verhoogde sensorbandbreedte, en verbeterde digitale algoritmen die nauwkeurig afstandsmetingen kunnen extraheren, Hoe legde uit.

Om de prestaties verder te verbeteren, het NIST-team bouwt en test nu een aangepaste kwantummagnetometer. Als een atoomklok, het apparaat detecteert signalen door te schakelen tussen de interne energieniveaus van de atomen en andere eigenschappen, zei Howe. De onderzoekers hopen het bereik van laagfrequente magnetische veldsignalen uit te breiden door de sensorgevoeligheid te vergroten, ruis effectiever te onderdrukken, en het vergroten en efficiënt gebruiken van de bandbreedte van de sensor.

De NIST-strategie vereist het uitvinden van een geheel nieuw veld, die kwantumfysica en laagfrequente magnetische radio combineert, zei Howe. Het team is van plan de gevoeligheid te vergroten door ruisarme oscillatoren te ontwikkelen om de timing tussen zender en ontvanger te verbeteren en te bestuderen hoe kwantumfysica kan worden gebruikt om bestaande bandbreedtelimieten te overtreffen.

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan NIST. Lees hier het originele verhaal.