"Quantum radio" voi auttaa viestintää ja kartoitusta sisätiloissa, maan alla ja veden alla

Anonim

National Standards and Technology -instituutin (NIST) tutkijat ovat osoittaneet, että kvanttifysiikka saattaa mahdollistaa viestinnän ja kartoittamisen paikoissa, joissa GPS- ja tavalliset matkapuhelimet ja radiot eivät toimi luotettavasti tai jopa lainkaan, kuten sisätiloissa, kaupunkien kanjoneissa, veden alla ja maan alla.

Tekniikka voi auttaa mm. Merenkulkijoita, sotilaita ja tarkastajia. GPS-signaalit eivät tunkeudu hyvin syvälle tai ollenkaan veteen, maaperään tai rakennuksen seiniin ja siksi niitä ei voi käyttää sukellusveneissä tai maanalaisissa toiminnoissa, kuten maanmittauskaivoksissa. GPS ei myöskään toimi hyvin sisätiloissa tai jopa ulkona kaupungin pilvenpiirtäjillä. Sotilaita varten radiosignaaleja voidaan estää ympäristöissä, joita kaatopaikka tai monet häiritsevät sähkömagneettiset laitteet ovat kamppaillut sotilas- tai katastrofitehtaiden aikana.

NIST-tiimi kokeilee matalataajuisia magneettisia radio-erittäin matalia taajuuksia (VLF) digitaalisesti moduloivia magneettisia signaaleja, jotka voivat kulkea kauemmas rakennusaineiden, veden ja maaperän läpi tavanomaisiin sähkömagneettisiin viestintäsignaaleihin korkeilla taajuuksilla.

VLF-sähkömagneettisia kenttiä käytetään jo vedenalaisissa sukellusveneissä. Mutta ääntä tai videota ei ole tarpeeksi tiedonsiirtoa, vain yksisuuntaisia ​​tekstejä. Myös sukellusveneiden on houkuteltava monimutkaisia ​​antennikaapeleita, hidastavat ja nousevat periskooppiin (18 metriä tai noin 60 metriä pinnan alapuolella) kommunikoimaan.

"Suuri ongelma hyvin matalataajuisessa viestinnässä, mukaan lukien magneettinen radio, on heikko vastaanotinherkkyys ja nykyisten lähettimien ja vastaanottimien erittäin rajallinen kaistanleveys, mikä tarkoittaa, että datanopeus on zilch", sanoi NIST-projektin johtaja Dave Howe.

"Paras magneettikentän herkkyys saadaan kvanttisten antureiden avulla, ja herkkyys lisääntyy periaatteessa pitemmälle tietoliikenteelle. Kvanttimallin avulla voidaan myös saada suuri kaistanleveysviestintä, kuten kännyköllä, tarvitsemme kaistanleveyden kommunikoida äänen kanssa veden alla ja muita haitallisia ympäristöjä ", hän sanoi.

Vaiheena kohti tätä tavoitetta NIST tutkijat osoittivat digitaalisten moduloidun magneettisignaalin, eli digitaalisten bittien 0 ja 1, sanelemisen havaitsemisen magneettikenttäanturilla, joka perustuu rubidiumatomien kvanttiominaisuuksiin. NIST-tekniikka muuttaa magneettikenttiä moduloimaan tai ohjaamaan atomien tuottamaa signaalin aaltomuodon taajuus-spesifisesti, vaaka- ja pystysuuntaisia ​​asemia.

"Atomit tarjoavat erittäin nopean reaktion ja erittäin korkean herkkyyden", Howe sanoi. "Klassisessa viestinnässä tapahtuu kaistanleveyden ja herkkyyden välinen kompromissi, ja voimme saada molemmat kvanttiantureilla."

Perinteisesti tällaisia ​​atomi-magnetometrejä käytetään mittaamaan luonnossa esiintyviä magneettikenttiä, mutta tässä NIST-hankkeessa niitä käytetään koodattujen viestintäsignaalien vastaanottamiseen. Tulevaisuudessa NIST-tiimi aikoo kehittää paranneltuja lähettimiä. Tutkijat ovat julkaisseet tuloksiaan Review of Scientific Instruments .

Kvanttimene- telmä on herkempi kuin tavanomainen magneettinen anturitekniikka, ja sitä voitaisiin käyttää kommunikointiin, Howe sanoi. Tutkijat osoittivat myös signaalinkäsittelyn tekniikan vähentääkseen ympäristömagneettista kohinaa, kuten sähköverkosta, joka muutoin rajoittaa viestintäaluetta. Tämä tarkoittaa, että vastaanottimet voivat havaita heikompia signaaleja tai signaalijakaumaa voidaan lisätä, Howe sanoi.

Näissä tutkimuksissa NIST kehitti suora- virtapiirin (DC) magneettimittarin, jossa käytetään polarisoitua valoa ilmaisimena magneettikenttien indusoimien rubidiumatomien "spin" mittaamiseksi. Atomeja on pienessä lasisäiliössä. Atomin pyörimisnopeuden muutokset vastaavat värähtelyä DC-magneettikentissä, synnyttäen vuorottelevan virran (AC) elektronisia signaaleja tai jännitteitä valoilmaisimessa, jotka ovat käyttökelpoisempia viestinnässä.

Tällaiset "optisesti pumpatut" magnetometrit tarjoavat suuren herkkyyden lisäksi etuja, kuten huonelämpötilan, pieni koko, alhaisen virran ja kustannukset sekä pienentyneet häiriöt. Tämän tyyppinen anturi ei ajelehtia tai vaatia kalibrointia.

NIST-testeissä anturi havaitsi signaaleja huomattavasti heikommin kuin tyypillinen magneettikenttäkohina. Anturi havaitsi digitaalisesti moduloituja magneettikentän signaaleja, joiden vahvuudet olivat 1 picotesla (miljoonasosa maapallon magneettikentän voimakkuudesta) ja hyvin matalilla taajuuksilla alle 1 kilohertz (kHz). (Tämä on alle VLF-radiotaajuudet, jotka ulottuvat 3-30 kHz: n välillä ja niitä käytetään joihinkin hallinto- ja sotilaspalveluihin.) Modulaatiotekniikat tukahduttivat ympäröivää kohinaa ja sen yliaaltoja tai monikertoja, mikä lisäsi tehokkaasti kanavan kapasiteettia.

Tutkijat suorittivat myös laskutoimituksia viestintä- ja paikannusrajojen arvioimiseksi. Suhteellinen signaali-kohinasuhde vastaava tilavyöhyke oli kymmeniä metrejä NIST-testien sisätiloissa, mutta sitä voitaisiin laajentaa satoihin metriin, jos kohinaa vähennettiin anturin herkkyysasteeseen. "Se on parempi kuin mitä on nyt sisätiloissa", Howe sanoi.

Sijainnin määrittäminen on haastavampaa. Paikannuskyvyn mittaamaton epävarmuus oli 16 metriä paljon suurempi kuin 3 metrin tavoite, mutta tätä metristä voidaan parantaa tulevien melunvaimennustekniikoiden, lisääntyneen anturikaistan ja parannettujen digitaalisten algoritmien avulla, jotka voivat tarkasti mitata etäisyyden mittauksia, Howe selitti.

Jotta suorituskyky paranee entisestään, NIST-tiimi kehittää ja testaa mukautetun kvanttimittarin. Kuten atomikello, laite havaitsee signaalit vaihtamalla atomien sisäisten energiatasojen ja muiden ominaisuuksien välillä, Howe sanoi. Tutkijat toivovat laajentavan matalan taajuuden magneettikentän signaaleja lisäämällä anturin herkkyyttä, vähentämällä melua tehokkaammin ja lisäämällä ja tehokkaasti anturin kaistanleveyttä.

NIST-strategia vaatii keksimään täysin uuden kentän, joka yhdistää kvanttifysiikan ja matalataajuisen magneettisen radion, Howe sanoi. Tiimi aikoo lisätä herkkyyttä kehittämällä hiljaisia ​​oskillaattoreita lähettimen ja vastaanottimen ajastuksen parantamiseksi ja tutkimalla kuinka kvanttifysiikan käyttö ylittää olemassa olevat kaistanleveysrajat.

menu
menu