Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) har visat att kvantfysik kan möjliggöra kommunikation och kartläggning på platser där GPS och vanliga mobiltelefoner och radio inte fungerar tillförlitligt eller ens alls, som inomhus, i urbana kanjoner, under vattnet och under jorden.

Tekniken kan hjälpa sjömän, soldater och lantmätare, bland andra. GPS -signaler tränger inte in särskilt djupt eller alls i vatten, mark eller byggnadsväggar, och därför, kan inte användas av ubåtar eller i underjordiska aktiviteter, till exempel undersökning av gruvor. GPS kanske inte fungerar bra inomhus eller ens utomhus bland stadens skyskrapor. För soldater, radiosignaler kan blockeras i miljöer som är röriga av spillror eller många störande elektromagnetiska enheter under militära eller katastrofåterställningsuppdrag.

NIST-teamet experimenterar med lågfrekvent magnetradio-mycket lågfrekventa (VLF) digitalt modulerade magnetiska signaler-som kan färdas längre genom byggmaterial, vatten och jord än konventionella elektromagnetiska kommunikationssignaler vid högre frekvenser.

VLF elektromagnetiska fält används redan under vattnet i ubåtskommunikation. Men det finns inte tillräckligt med datakapacitet för ljud eller video, bara enkelriktade texter. Ubåtarna måste också dra besvärliga antennkablar, sakta ner och stiga till periskopdjup (18 meter, eller cirka 60 fot, under ytan) för att kommunicera.

"De stora problemen med mycket lågfrekvent kommunikation, inklusive magnetradio, är dålig mottagarkänslighet och extremt begränsad bandbredd på befintliga sändare och mottagare. Det betyder att datahastigheten är zilch, "NIST -projektledare Dave Howe sa.

"Den bästa magnetfältkänsligheten erhålls med kvantgivare. Den ökade känsligheten leder i princip till längre kommunikationsavstånd. Kvantmetoden ger också möjlighet att få hög bandbreddskommunikation som en mobiltelefon har. Vi behöver bandbredd för att kommunicera med ljud under vattnet och i andra förbjudna miljöer, " han sa.

Som ett steg mot det målet, NIST -forskarna demonstrerade upptäckt av digitalt modulerade magnetiska signaler, det är, meddelanden som består av digitala bitar 0 och 1, av en magnetfältssensor som förlitar sig på kvantegenskaperna hos rubidiumatomer. NIST -tekniken varierar magnetfält för att modulera eller styra frekvensen - specifikt de horisontella och vertikala positionerna för signalens vågform - producerad av atomerna.

"Atomer erbjuder mycket snabb respons plus mycket hög känslighet, "Howe sa." Klassisk kommunikation innebär en avvägning mellan bandbredd och känslighet. Vi kan nu få båda med kvantsensorer. "

Traditionellt, sådana atommagnetometrar används för att mäta naturligt förekommande magnetfält, men i detta NIST -projekt, de används för att ta emot kodade kommunikationssignaler. I framtiden, NIST -teamet planerar att utveckla förbättrade sändare. Forskarna har publicerat sina resultat i Granskning av vetenskapliga instrument .

Kvantmetoden är känsligare än konventionell magnetisk sensorteknik och kan användas för att kommunicera, Sa Howe. Forskarna demonstrerade också en signalbehandlingsteknik för att minska magnetiskt buller från omgivningen, t.ex. från elnätet, som annars begränsar kommunikationsområdet. Det betyder att mottagare kan upptäcka svagare signaler eller att signalområdet kan ökas, Sa Howe.

För dessa studier, NIST utvecklade en likströmsmeterometer (DC) i vilken polariserat ljus används som en detektor för att mäta "spin" av rubidiumatomer som induceras av magnetfält. Atomerna finns i en liten glasbehållare. Förändringar i atomernas centrifugeringshastighet motsvarar en oscillation i magnetfältet DC, skapa elektroniska signaler för växelström (AC), eller spänningar vid ljusdetektorn, som är mer användbara för kommunikation.

Sådana "optiskt pumpade" magnetometrar, förutom hög känslighet, erbjuder fördelar som rumstemperaturdrift, liten storlek, låg effekt och kostnad, och minskad störning. En sensor av denna typ skulle inte driva eller kräva kalibrering.

I NIST -testerna, sensorn detekterade signaler betydligt svagare än typiskt omgivande magnetfältbrus. Sensorn detekterade digitalt modulerade magnetfältssignaler med styrkor på 1 picotesla (en miljonedel av jordens magnetfältstyrka) och vid mycket låga frekvenser, under 1 kilohertz (kHz). (Detta är under frekvenserna för VLF -radio, som sträcker sig över 3-30 kHz och används för vissa statliga och militära tjänster.) Modulationsteknikerna undertryckte omgivande buller och dess övertoner, eller multiplar, effektivt öka kanalkapaciteten.

Forskarna utförde också beräkningar för att uppskatta kommunikations- och lokaliseringsgränser. Det rymliga området som motsvarar ett bra signal-brusförhållande var tiotals meter i inomhusbrusmiljön i NIST-testerna, men kan förlängas till hundratals meter om bullret reduceras till sensornas känslighetsnivåer. "Det är bättre än vad som är möjligt inomhus, "Sa Howe.

Att hitta plats är mer utmanande. Den uppmätta osäkerheten i lokaliseringsförmågan var 16 meter, mycket högre än målet på 3 meter, men detta mått kan förbättras genom framtida bullerdämpningstekniker, ökad sensorbandbredd, och förbättrade digitala algoritmer som exakt kan extrahera avståndsmätningar, Howe förklarade.

För att förbättra prestanda ytterligare, NIST -teamet bygger och testar nu en anpassad kvantmagnetometer. Som en atomklocka, enheten kommer att upptäcka signaler genom att växla mellan atomernas interna energinivåer samt andra egenskaper, Sa Howe. Forskarna hoppas kunna utöka utbudet av lågfrekventa magnetfältssignaler genom att öka sensorkänsligheten, dämpa buller mer effektivt, och öka och effektivt använda sensorns bandbredd.

NIST -strategin kräver uppfinning av ett helt nytt område, som kombinerar kvantfysik och lågfrekvent magnetradio, Sa Howe. Teamet planerar att öka känsligheten genom att utveckla svaga oscillatorer för att förbättra tidpunkten mellan sändare och mottagare och studera hur man använder kvantfysik för att överstiga befintliga bandbreddsgränser.

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.