Czujniki kwantowe pomogą tam, gdzie nie radzi sobie GPS?

Amerykańscy naukowcy wykazali, że fizyka kwantowa może umożliwić komunikację i mapowanie w miejscach, gdzie nie radzi sobie nawigacja satelitarna, łączność komórkowa czy radiowa.

Nad technologią wykorzystania czujników kwantowych w komunikacji pracują naukowcy z National Institute of Standards and Technology (NIST), agencji która jest amerykańskim odpowiednikiem polskiego Głównego Urzędu Miar. Rozwiązania testowane przez zespół NSIT mają pomóc w komunikacji m.in. marynarzom, żołnierzom czy górnikom. Sygnały nawigacji satelitarnej nie przenikają bardzo głęboko lub w ogóle w wodzie czy też w glebie. Zatem nie mogą być używane przez okręty podwodne lub w komunikacji pod ziemią. Nawigacja satelitarna może również nie działać dobrze w pomieszczeniach, a nawet na zewnątrz wśród miejskich drapaczy chmur. Problem może mieć również wojsko, których sygnały nawigacji i radiowe mogą być zakłócane lub blokowane przez wroga.

Dlatego zespół NIST pracuje nad modulowanymi cyfrowo sygnałami magnetycznymi o bardzo niskiej częstotliwości (VLF), które mogą przemieszczać się dalej przez materiały budowlane, wodę i ziemię, niż konwencjonalne sygnały elektromagnetyczne na wyższych częstotliwościach. Pola elektromagnetyczne VLF są już używane pod wodą w komunikacji podmorskiej. Jednak problemem jest czułość odbiornika i bardzo ograniczona przepustowość istniejących nadajników i odbiorników, przez co szybkość transmisji danych nie jest zadowalająca.

- Najlepszą czułość pola magnetycznego uzyskuje się za pomocą czujników kwantowych, zwiększona czułość prowadzi w zasadzie do dłuższego zasięgu komunikacyjnego, a podejście kwantowe oferuje także możliwość uzyskania komunikacji o dużej przepustowości, takiej jak np. dają telefon komórkowy - podkreśla lider projektu NIST, Dave Howe.

Jako krok w kierunku tego celu, badacze NIST zademonstrowali wykrycie modulowanych cyfrowo sygnałów magnetycznych, które opierają się na kwantowych właściwościach atomów rubidu. Technologia NIST zmienia pola magnetyczne, aby modulować lub kontrolować częstotliwość - w szczególności poziome i pionowe pozycje fali sygnału - wytwarzane przez atomy.

- Metoda kwantowa jest bardziej czuła niż konwencjonalna technologia czujników magnetycznych i można ją wykorzystać do komunikacji. Atomy oferują bardzo szybką reakcję i bardzo wysoką czułość. Klasyczna komunikacja wymaga kompromisu pomiędzy przepustowością a czułością. A to można uzyskać dzięki czujnikom kwantowym - dodaje Howe.

Tradycyjnie tzw. magnetometry atomowe są używane do pomiaru naturalnie występujących pól magnetycznych, ale w projekcie NIST są one wykorzystywane do odbierania zakodowanych sygnałów komunikacyjnych. Teraz zadaniem zespół NIST jest właśnie opracowanie ulepszonych nadajników opierających się na czujnikach kwantowych.

Naukowcy zademonstrowali również technologię przetwarzania sygnału, aby zredukować środowiskowy szum magnetyczny, na przykład z elektrycznej sieci energetycznej. Oznacza to, że odbiorniki mogą wykrywać słabsze sygnały lub zakres sygnału może zostać zwiększony.

Wyniki badań zespołu NIST opublikowane zostały w czasopiśmie Review of Scientific Instruments.