'Quantum radio' kan helpen bij communicatie en kaarten binnenshuis, onder de grond en onder water

Authors, Lawyers, Politicians, Statesmen, U.S. Representatives from Congress (1950s Interviews) (Juni- 2019).

Anonim

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, onderwater en ondergronds.

De technologie kan bijvoorbeeld zeelieden, soldaten en landmeters helpen. GPS-signalen dringen niet diep door of helemaal niet in water, grond of muren van gebouwen en kunnen daarom niet worden gebruikt door onderzeeërs of in ondergrondse activiteiten zoals landmijnen. GPS werkt mogelijk ook niet goed binnenshuis of zelfs buitenshuis tussen wolkenkrabbers van steden. Voor soldaten kunnen radiosignalen worden geblokkeerd in omgevingen vol rommel of veel interfererende elektromagnetische apparaten tijdens militaire of noodherstelmissies.

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

VLF-elektromagnetische velden worden al onder water gebruikt in onderzeese communicatie. Maar er is niet genoeg gegevensoverdrachtcapaciteit voor audio of video, alleen eenrichtingsverkeer. Onderzeeërs moeten ook omslachtige antennekabels slepen, vertragen en stijgen naar periscoopdiepte (18 meter of ongeveer 60 voet onder het oppervlak) om te communiceren.

"De grote problemen met communicatie met een zeer lage frequentie, inclusief magnetische radio, zijn een slechte gevoeligheid van de ontvanger en een uiterst beperkte bandbreedte van bestaande zenders en ontvangers, wat betekent dat de datasnelheid zilch is, " zei NIST-projectleider Dave Howe.

"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.We hebben bandbreedte nodig om te communiceren met audio onder water en in andere verboden omgevingen, "zei hij.

Als een stap in de richting van dat doel demonstreerden de NIST-onderzoekers detectie van digitaal gemoduleerde magnetische signalen, dat wil zeggen berichten die bestaan ​​uit digitale bits 0 en 1, door een magneetveldsensor die vertrouwt op de kwantumeigenschappen van rubidium-atomen. De NIST-techniek varieert magnetische velden om de frequentie-specifiek, de horizontale en verticale posities van de signaalgolfvorm-geproduceerd door de atomen te moduleren of regelen.

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

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

De kwantummethode is gevoeliger dan conventionele magnetische sensortechnologie en zou kunnen worden gebruikt om te communiceren, aldus Howe. De onderzoekers toonden ook een signaalverwerkingstechniek om omgevingsmagnetische ruis te verminderen, zoals van het elektrische stroomnet, wat anders het communicatiebereik beperkt. Dit betekent dat ontvangers zwakkere signalen kunnen detecteren of dat het signaalbereik kan worden verhoogd, aldus Howe.

Voor deze onderzoeken ontwikkelde NIST een gelijkstroom (DC) magnetometer waarin gepolariseerd licht wordt gebruikt als een detector voor het meten van de "spin" van rubidium-atomen geïnduceerd door magnetische velden. De atomen bevinden zich in een kleine glazen container. Veranderingen in de spinsnelheid van de atomen corresponderen met een oscillatie in de DC-magnetische velden, waardoor wisselstroom (AC) elektronische signalen of spanningen bij de lichtdetector worden gecreëerd, die meer geschikt zijn voor communicatie.

Dergelijke "optisch gepompte" magnetometers bieden, naast een hoge gevoeligheid, voordelen zoals kamertemperatuur, kleine afmetingen, laag vermogen en kosten, en verminderde interferentie. Een sensor van dit type zou niet afdrijven of moet worden gekalibreerd.

In de NIST-tests detecteerde de sensor signalen die aanzienlijk zwakker waren dan de typische omgevingsmagneetveldruis. De sensor detecteerde digitaal gemoduleerde magnetische veldsignalen met een sterkte van 1 picotesla (één miljoenste van de aardmagnetische veldsterkte) en bij zeer lage frequenties, lager dan 1 kilohertz (kHz). (Dit is lager dan de frequenties van VLF-radio, die 3-30 kHz beslaat en wordt gebruikt voor sommige overheids- en militaire diensten.) De modulatietechnieken onderdrukten de omgevingsruis en zijn harmonischen of veelvouden, waardoor de kanaalcapaciteit effectief werd verhoogd.

De onderzoekers voerden ook berekeningen uit om de communicatie en locatiebepalende limieten te schatten. Het ruimtelijke bereik dat overeenkomt met een goede signaal-ruisverhouding was tientallen meters in de omgeving van het binnengeluid 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 er nu binnenshuis mogelijk is, " zei Howe.

Het lokaliseren van locaties is uitdagender. De gemeten onzekerheid in locatievermogen was 16 meter, veel hoger dan het doel van 3 meter, maar deze waarde kan worden verbeterd door toekomstige technieken voor ruisonderdrukking, verhoogde sensorbandbreedte en verbeterde digitale algoritmen die nauwkeurig afstandsmetingen kunnen uitvoeren, aldus Howe.

Om de prestaties verder te verbeteren, is het NIST-team nu bezig met het bouwen en testen van een aangepaste quantum-magnetometer. Net als een atoomklok zal het apparaat signalen detecteren door te schakelen tussen de interne energieniveaus van atomen en andere eigenschappen, aldus Howe. De onderzoekers hopen het bereik van laagfrequente magneetveldsignalen uit te breiden door de sensorgevoeligheid te verhogen, ruis beter te onderdrukken en de bandbreedte van de sensor te vergroten en efficiënter te gebruiken.

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

menu
menu