量子无线电”可有助于室内、地下和水下的通信和测绘

       量子无线电”可有助于室内、地下和水下的通信和测绘
       美国国家标准与技术研究院(NIST)的物理学家Dave Howe将一束激光对准圆柱形磁屏蔽内一个微小的铷原子玻璃皿。铷原子是作为磁性无线电接收器的原子磁力仪的核心。与较高频率的传统通信信号相比,这些甚低频(VLF)数字调制磁信号可以在建筑材料、水和土壤中传播得更远,并且随着接收器和发射器的进一步发展,可以改善远距离室内、城市峡谷、水下和地下的通信和测绘。Credit: Burrus/NIST
       美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员已经证明,量子物理学可以在全球定位系统(GPS)、普通手机及无线电无法可靠工作或甚至根本无法工作的地方进行通信和完成测绘,例如室内、城市峡谷、水下和地下。
       这项技术可帮助海员、士兵和测量员等完成他们的工作任务。GPS信号在水中、土壤里或建筑物墙体中不能深入或根本无法穿透,因此在潜艇或如矿产勘测等地下活动中无法得到利用。对于城市的摩天大楼而言,GPS也可能无法在室内或室外正常使用。对于士兵来说,当执行军事行动或灾难救援任务时,瓦砾遍地或堆满许多干扰电磁设备的杂乱环境也可能会阻挡无线电信号。
       NIST的研究团队正在实验低频磁性无线电——甚低频(VLF)数字调制磁信号, 与传统的高频电磁通信信号相比,它可以在建筑材料、水和土壤中传播 得更远。
      甚低频(VLF)电磁场已经被用于水下的潜艇通信。但是由于音频或视频的数据承载能力不足,只能单向文本传输。所以,为了进行通信,潜艇还必须拖曳笨重的天线电缆,减速并上升至潜望镜深度(低于水面18米,或约60英尺)。
     “包括磁性无线电在内的甚低频通信存在的主要问题是接收器灵敏度差,并且现有的发射器和接收器的带宽都极其有限。这意味着数据速率为零,”NIST项目负责人Dave Howe说道。
  “使用量子传感器可以获得最佳的磁场灵敏度。理论上来讲,灵敏度的提高会使得通信范围更广。量子的使用还提供了像手机一样获得高带宽通信的可能性。我们需要带宽来进行水下和其他恶劣环境中的音频通信,”他说。
   NIST研究人员朝着这一目标又迈向了一步,他们运用依赖于铷原子量子特性的磁场传感器,验证了数字调制磁信号的检测,即由数字位0和1组成的信息。NIST的这项技术通过改变磁场来调节或控制原子产生的频率,尤其是信号波形的水平和垂直位置。
  “原子具有非常迅捷的响应速度和非常高的灵敏度,”Howe说。“传统通信需要在带宽和灵敏度之间权衡,而我们现在使用的量子传感器可以同时兼顾两者。”
     传统上,这类的原子磁力仪用于测量自然产生的磁场,但在NIST的这个项目中,它们被用于接收编码通信信号。在未来,NIST的研究团队计划开发改进的发射器。研究人员已经在《科学仪器评论》(Review of Scientific Instruments)上发表了他们的研究成果。
     Howe说,量子方法比传统的磁传感器技术更加敏感,可用于通信。研究人员还演示了一种信号处理技术,可减少环境磁噪声,例如来自电网的噪声,这种噪声会限制通信范围。Howe说,这意味着要么使接收器检测到较弱的信号,要么增大信号范围。
     针对这些研究,NIST研发了一种直流(DC)磁力仪,利用偏振光作为检测器来测量由磁场引起的铷原子的“自旋”。铷原子置于一个微小的玻璃皿中。原子旋转速率的变化相当于直流磁场中的振荡,即产生交流(AC)电子信号,或相当于光检测器上的电压,这对于通信更为有用。
      除了高灵敏度之外,这种“光泵式”磁力仪还具有可室温工作、体积小、功耗低、成本低、抗干扰能力强等优点。这种类型的传感器不会漂移,也不需要校准。
      NIST进行的测试中,传感器检测到的信号明显弱于典型的环境磁场噪声。该传感器检测到的数字调制磁场信号,其强度为1皮特斯拉( picotesla)(地球磁场强度的百万分之一),频率非常低,低于1千赫兹(kHz)。(这低于甚低频无线电的频率,其频率跨度为3~30 kHz,通常服务于某些政府和军事事务。)这种调制技术抑制了环境噪声及其谐波或数倍的谐波,有效地增加了信道容量。
     研究人员还进行了计算,以估计通信和位置范围的限制。在NIST测试的室内噪声环境中,良好的信噪比所对应的空间范围是几十米,但如果将噪声降低到传感器的灵敏度水平,则可以扩展到几百米。“比起目前室内应用的情况,那要好得多,”Howe说。
     精确定位更具挑战性。“定位能力的测量不确定度为16米,远远高于3米的目标,但通过未来的噪声抑制技术、增加的传感器带宽和改进的数字算法可以提高这一指标,准确地获得距离测量值,”Howe解释道。
     为了进一步提高性能,NIST研究团队现正在构建和测试一种定制的量子磁力仪。“像原子钟一样,该装置将通过切换原子的内部能级和其他属性来检测信号,”Howe说。 研究人员希望通过提高传感器灵敏度、更有效地抑制噪声,以及增加和有效利用传感器的带宽来扩大低频磁场信号的范围。
 “NIST的战略需要开发一个全新的领域,一个结合了量子物理学和低频磁性无线电的领域,”Howe说道。研究团队计划通过开发低噪声振荡器来提高灵敏度,以改善发射器和接收器之间的时序,并研究如何利用量子物理学来超越现有的带宽限制。

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