Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) hebben een nieuw type sensor gedemonstreerd die atomen gebruikt om veelgebruikte communicatiesignalen te ontvangen. Deze op atoom gebaseerde ontvanger heeft het potentieel om kleiner te zijn en beter te werken in lawaaierige omgevingen dan conventionele radio-ontvangers, naast andere mogelijke voordelen.

Het NIST-team gebruikte cesiumatomen om digitale bits (1s en 0s) te ontvangen in het meest gebruikelijke communicatieformaat, die wordt gebruikt in mobiele telefoons, Wifi en satelliet-tv, bijvoorbeeld. In dit formaat, faseverschuiving of fasemodulatie genoemd, radiosignalen of andere elektromagnetische golven worden in de loop van de tijd ten opzichte van elkaar verschoven. De informatie (of data) is gecodeerd in deze modulatie.

"Het punt is om aan te tonen dat je atomen kunt gebruiken om gemoduleerde signalen te ontvangen, " zei projectleider Chris Holloway. "De methode werkt over een enorm scala aan frequenties. De datasnelheden zijn nog niet de snelste die er zijn, maar er zijn andere voordelen hier, alsof het misschien beter werkt dan conventionele systemen in lawaaierige omgevingen."

Zoals beschreven in een nieuw artikel, de kwantumsensor ontving signalen op basis van real-world faseverschuivende methoden. Er werd gekozen voor een zendfrequentie van 19,6 gigahertz omdat dit handig was voor het experiment, maar het kan ook worden gebruikt in toekomstige draadloze communicatiesystemen, zei Holloway.

Het NIST-team gebruikte eerder dezelfde basistechniek voor beeldvormings- en meettoepassingen. Onderzoekers gebruiken twee verschillende kleurenlasers om atomen in een dampcel voor te bereiden in hoogenergetische ("Rydberg") toestanden, die nieuwe eigenschappen hebben, zoals extreme gevoeligheid voor elektromagnetische velden. De frequentie van een elektrisch veldsignaal beïnvloedt de kleuren van het licht dat door de atomen wordt geabsorbeerd.

In de nieuwe experimenten het team gebruikte een recent ontwikkelde op atomen gebaseerde mixer om ingangssignalen om te zetten in nieuwe frequenties. Een radiofrequentiesignaal (RF) fungeert als referentie en een tweede RF-signaal dient als gemoduleerde signaaldrager. Verschillen in frequentie en de offset tussen de twee signalen werden gedetecteerd en gemeten door de atomen te onderzoeken.

Hoewel veel onderzoekers eerder hebben aangetoond dat atomen andere formaten van gemoduleerde signalen kunnen ontvangen, het NIST-team was de eerste die een op atomen gebaseerde mixer ontwikkelde die faseverschuiving aankon.

Afhankelijk van het coderingsschema, het op atoom gebaseerde systeem ontving tot ongeveer 5 megabit aan gegevens per seconde. Dit ligt dicht bij de snelheid van oudere, mobiele telefoons van de derde generatie (3G).

De onderzoekers maten ook de nauwkeurigheid van de ontvangen bitstroom op basis van een conventionele metriek genaamd error vector magnitude (EVM). EVM vergelijkt een ontvangen signaalfase met de ideale toestand en meet zo de modulatiekwaliteit. De EVM in de NIST-experimenten was minder dan 10 procent, wat redelijk is voor een eerste demonstratie, zei Holloway. Dit is vergelijkbaar met systemen die in het veld worden ingezet, hij voegde toe.

Kleine lasers en dampcellen worden al gebruikt in sommige commerciële apparaten zoals atoomklokken op chipschaal, wat suggereert dat het haalbaar zou kunnen zijn om praktische op atoom gebaseerde communicatieapparatuur te bouwen.

Met verdere ontwikkeling, op atoom gebaseerde ontvangers kunnen veel voordelen bieden ten opzichte van conventionele radiotechnologieën, volgens het papier. Bijvoorbeeld, er is geen behoefte aan traditionele elektronica die signalen omzet naar verschillende frequenties voor levering, omdat de atomen het werk automatisch doen. De antennes en ontvangers kunnen fysiek kleiner zijn, met afmetingen op micrometerschaal. In aanvulling, op atomen gebaseerde systemen zijn mogelijk minder gevoelig voor bepaalde soorten interferentie en ruis. De op atomen gebaseerde mixer kan ook nauwkeurig zwakke elektrische velden meten.