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 en absoluto, como en interiores, 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 o no penetran en el agua, el suelo o las paredes de los edificios y, por lo tanto, no pueden ser utilizadas por submarinos o en actividades subterráneas comotopografía de minas. El GPS también puede no funcionar bien en interiores o incluso al aire libre entre los rascacielos de la ciudad. Para los soldados, las señales de radio pueden estar bloqueadas en entornos abarrotados por escombros o muchos dispositivos electromagnéticos interferentes 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 materiales de construcción, agua y suelo que las señales de comunicaciones electromagnéticas convencionales a frecuencias más altas.
Los campos electromagnéticos VLF ya se utilizan bajo el agua en las comunicaciones submarinas. Pero no hay suficiente capacidad de transmisión de datos para audio o video, solo textos unidireccionales. Los submarinos también deben remolcar cables de antena engorrosos, reducir la velocidad y subir a una profundidad de periscopio 18 metros, o unos 60 pies, debajo de la superficie para comunicarse.
"El gran problema con las comunicaciones de muy baja frecuencia, incluida la 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. La mayor sensibilidad conduce, en principio, a un mayor rango de comunicaciones. El enfoque cuántico también ofrece la posibilidad de obtener comunicaciones de gran ancho de banda como un teléfono celular. Necesitamos ancho de banda para comunicarnos con audio bajo el aguay en otros entornos prohibitivos ", dijo.
Como un paso hacia ese objetivo, los investigadores del NIST demostraron la detección de señales magnéticas moduladas digitalmente, es decir, mensajes que consisten en bits digitales 0 y 1, por un sensor de campo magnético que se basa en las propiedades cuánticas de los átomos de rubidio. El NISTLa técnica 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 más una sensibilidad muy alta", dijo Howe. "Las comunicaciones clásicas implican una compensación entre el ancho de banda y la sensibilidad. Ahora podemos obtener ambas con sensores cuánticos".
Tradicionalmente, tales magnetómetros atómicos se utilizan para medir campos magnéticos naturales, pero en este proyecto NIST, se están utilizando para recibir señales de comunicaciones codificadas. En el futuro, el equipo NIST planea desarrollar transmisores mejorados. Los investigadores han publicado susresultados en la Revisión de Instrumentos Científicos.
El método cuántico es más sensible que la tecnología de sensor magnético convencional y podría usarse para comunicarse, dijo Howe. Los investigadores también demostraron una técnica de procesamiento de señal para reducir el ruido magnético ambiental, como el de la red eléctrica, que de otro modo limita las comunicacionesEsto significa que los receptores pueden detectar señales más débiles o que el rango de la señal puede aumentarse, dijo Howe.
Para estos estudios, el NIST desarrolló un magnetómetro de corriente continua CC en el que la luz polarizada se usa como detector para medir el "giro" de los átomos de rubidio inducidos por los campos magnéticos. Los átomos se encuentran en un pequeño recipiente de vidrio.la velocidad de rotación de los átomos corresponde a una oscilación en los campos magnéticos de CC, creando señales electrónicas de corriente alterna CA o voltajes en el detector de luz, que son más útiles para las comunicaciones.
Tales magnetómetros "ópticamente bombeados", además de alta sensibilidad, ofrecen ventajas tales como operación a temperatura ambiente, tamaño pequeño, bajo consumo y costo, y reducción de interferencia. Un sensor de este tipo no derivaría 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 potencias de 1 picotesla una millonésima parte de la intensidad del campo magnético de la Tierra y a frecuencias muy bajas,debajo de 1 kilohercio kHz. Esto está por debajo de las frecuencias de radio VLF, que abarca 3-30 kHz y se utiliza para algunos servicios gubernamentales y militares. Las técnicas de modulación suprimieron el ruido ambiental y sus armónicos, o múltiplos, aumentando efectivamentela 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 demetros 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.
La ubicación precisa es más difícil. La incertidumbre medida en la capacidad de ubicación fue de 16 metros, mucho más alta que el objetivo de 3 metros, pero esta métrica se puede mejorar a través de futuras técnicas de supresión de ruido, mayor ancho de banda del sensor y algoritmos digitales mejorados que puedenextraer mediciones de distancia, explicó Howe.
Para mejorar aún más el rendimiento, el equipo de NIST ahora está construyendo y probando un magnetómetro cuántico personalizado. Al igual que un reloj atómico, el dispositivo detectará señales cambiando entre los niveles de energía interna de los átomos y otras propiedades, dijo Howe. Los investigadores esperan que los investigadorespara ampliar el rango de señales de campo magnético de baja frecuencia al aumentar la sensibilidad del sensor, suprimir el ruido de manera más efectiva y aumentar y eficientemente el uso del ancho de banda del sensor.
Howe dijo que la estrategia NIST requiere inventar un campo completamente nuevo que combine física cuántica y radio magnético de baja frecuencia. El equipo planea aumentar la sensibilidad desarrollando osciladores de bajo ruido para mejorar el tiempo entre el transmisor y el receptor y estudiar cómousar física cuántica para superar los límites de ancho de banda existentes.
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Materiales proporcionado por Instituto Nacional de Estándares y Tecnología NIST . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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