Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han demostrado que la física cuántica podría permitir las comunicaciones y el mapeo en lugares donde el GPS y los teléfonos celulares y radios comunes no funcionan de manera confiable o ni siquiera funcionan en absoluto. como en el interior, en cañones urbanos, bajo el agua y bajo tierra.

La tecnología puede ayudar a los marineros, soldados y agrimensores, entre otros. Las señales de GPS no penetran muy profundamente ni en absoluto en el agua, suelo o paredes de edificios, y por lo tanto, no puede ser utilizado por submarinos o en actividades subterráneas como minas de topografía. El GPS también puede no funcionar bien en interiores o incluso en exteriores entre rascacielos de la ciudad. Para los soldados Las señales de radio pueden bloquearse en entornos abarrotados de escombros o muchos dispositivos electromagnéticos que interfieren durante las misiones militares o de recuperación de desastres.

El equipo del NIST está experimentando con radio magnética de baja frecuencia, señales magnéticas moduladas digitalmente de muy baja frecuencia (VLF), que pueden viajar más lejos a través de los materiales de construcción. agua y suelo que las señales de comunicaciones electromagnéticas convencionales a frecuencias más altas.

Los campos electromagnéticos de VLF ya se utilizan bajo el agua en las comunicaciones submarinas. Pero no hay suficiente capacidad de transporte de datos para audio o video, solo textos unidireccionales. Los submarinos también deben remolcar engorrosos cables de antena, reducir la velocidad y subir a la profundidad del periscopio (18 metros, o unos 60 pies, debajo de la superficie) para comunicarse.

"Los grandes problemas de las comunicaciones de muy baja frecuencia, incluyendo radio magnética, es la baja sensibilidad del receptor y el ancho de banda extremadamente limitado de los transmisores y receptores existentes. Esto significa que la velocidad de datos es nula, ", Dijo el líder del proyecto NIST, Dave Howe.

"La mejor sensibilidad del campo magnético se obtiene utilizando sensores cuánticos. El aumento de la sensibilidad conduce, en principio, a un rango de comunicaciones más largo. El enfoque cuántico también ofrece la posibilidad de obtener comunicaciones de gran ancho de banda como lo hace un teléfono celular. Necesitamos ancho de banda para comunicarnos con audio bajo el agua y en otros ambientes prohibidos, " él dijo.

Como paso hacia ese objetivo, los investigadores del NIST demostraron la detección de señales magnéticas moduladas digitalmente, es decir, mensajes que constan de los bits digitales 0 y 1, mediante un sensor de campo magnético que se basa en las propiedades cuánticas de los átomos de rubidio. La técnica NIST varía los campos magnéticos para modular o controlar la frecuencia, específicamente, las posiciones horizontal y vertical de la forma de onda de la señal, producida por los átomos.

"Los átomos ofrecen una respuesta muy rápida y una sensibilidad muy alta, "Howe dijo." Las comunicaciones clásicas implican un compromiso entre el ancho de banda y la sensibilidad. Ahora podemos obtener ambos con sensores cuánticos ".

Tradicionalmente, tales magnetómetros atómicos se utilizan para medir campos magnéticos naturales, pero en este proyecto de NIST, se utilizan para recibir señales de comunicaciones codificadas. En el futuro, el equipo de NIST planea desarrollar transmisores mejorados. Los investigadores han publicado sus resultados en el Revisión de instrumentos científicos .

El método cuántico es más sensible que la tecnología de sensor magnético convencional y podría usarse para comunicarse, Howe dijo. Los investigadores también demostraron una técnica de procesamiento de señales para reducir el ruido magnético ambiental, como de la red eléctrica, que de otra manera limita el rango de comunicaciones. Esto significa que los receptores pueden detectar señales más débiles o se puede aumentar el rango de la señal, Howe dijo.

Para estos estudios, El NIST desarrolló un magnetómetro de corriente continua (CC) en el que se utiliza luz polarizada como detector para medir el "giro" de los átomos de rubidio inducidos por campos magnéticos. Los átomos están en un recipiente de vidrio diminuto. Los cambios en la velocidad de giro de los átomos corresponden a una oscilación en los campos magnéticos de CC, crear señales electrónicas de corriente alterna (CA), o voltajes en el detector de luz, que son más útiles para las comunicaciones.

Estos magnetómetros "bombeados ópticamente", además de alta sensibilidad, ofrecen ventajas como el funcionamiento a temperatura ambiente, talla pequeña, bajo consumo y coste, y reducción de la interferencia. Un sensor de este tipo no se desviaría ni requeriría calibración.

En las pruebas NIST, el sensor detectó señales significativamente más débiles que el ruido de campo magnético ambiental típico. El sensor detectó señales de campo magnético moduladas digitalmente con intensidades de 1 picotesla (una millonésima parte de la fuerza del campo magnético de la Tierra) y a muy bajas frecuencias, por debajo de 1 kilohercio (kHz). (Esto está por debajo de las frecuencias de la radio VLF, que abarca de 3 a 30 kHz y se utiliza para algunos servicios gubernamentales y militares.) Las técnicas de modulación suprimieron el ruido ambiental y sus armónicos, o múltiples, aumentando efectivamente la capacidad del canal.

Los investigadores también realizaron cálculos para estimar los límites de comunicación y rango de ubicación. El rango espacial correspondiente a una buena relación señal / ruido fue de decenas de metros en el entorno de ruido interior de las pruebas NIST. pero podría extenderse a cientos de metros si el ruido se redujera a los niveles de sensibilidad del sensor. "Eso es mejor de lo que es posible ahora en interiores, "Dijo Howe.

Identificar la ubicación es más desafiante. La incertidumbre medida en la capacidad de ubicación fue de 16 metros, mucho más alto que el objetivo de 3 metros, pero esta métrica se puede mejorar mediante futuras técnicas de supresión de ruido, mayor ancho de banda del sensor, y algoritmos digitales mejorados que pueden extraer con precisión mediciones de distancia, Howe explicó.

Para mejorar aún más el rendimiento, el equipo del NIST ahora está construyendo y probando un magnetómetro cuántico personalizado. Como un reloj atómico, el dispositivo detectará señales cambiando entre los niveles de energía internos de los átomos, así como otras propiedades, Howe dijo. Los investigadores esperan ampliar el rango de señales de campo magnético de baja frecuencia aumentando la sensibilidad del sensor, suprimir el ruido de forma más eficaz, y aumentando y utilizando eficientemente el ancho de banda del sensor.

La estrategia del NIST requiere inventar un campo completamente nuevo, que combina la física cuántica y la radio magnética de baja frecuencia, Howe dijo. El equipo planea aumentar la sensibilidad mediante el desarrollo de osciladores de bajo ruido para mejorar la sincronización entre el transmisor y el receptor y estudiar cómo utilizar la física cuántica para superar los límites de ancho de banda existentes.

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.