I ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) hanno dimostrato che la fisica quantistica potrebbe consentire comunicazioni e mappe in luoghi in cui il GPS e i normali telefoni cellulari e radio non funzionano in modo affidabile o addirittura non funzionano affatto, come all'interno, nei canyon urbani, sott'acqua e sotterranea.

La tecnologia può aiutare i marinai, soldati e geometri, tra gli altri. I segnali GPS non penetrano molto in profondità o non penetrano affatto nell'acqua, suolo o muri di edifici, e quindi, non può essere utilizzato da sottomarini o in attività sotterranee come le miniere di rilevamento. Il GPS potrebbe anche non funzionare bene all'interno o anche all'aperto tra i grattacieli della città. Per i soldati, i segnali radio possono essere bloccati in ambienti ingombrati da macerie o molti dispositivi elettromagnetici interferenti durante missioni militari o di ripristino di emergenza.

Il team del NIST sta sperimentando la radio magnetica a bassa frequenza, segnali magnetici modulati digitalmente a frequenza molto bassa (VLF), che possono viaggiare più lontano attraverso i materiali da costruzione, acqua e suolo rispetto ai tradizionali segnali di comunicazione elettromagnetica a frequenze più elevate.

I campi elettromagnetici VLF sono già utilizzati sott'acqua nelle comunicazioni sottomarine. Ma non c'è abbastanza capacità di trasporto dati per audio o video, solo testi a senso unico. I sottomarini devono anche trainare ingombranti cavi d'antenna, rallentare e salire alla profondità del periscopio (18 metri, o circa 60 piedi, sotto la superficie) per comunicare.

"I grandi problemi con le comunicazioni a bassissima frequenza, compresa la radio magnetica, è una scarsa sensibilità del ricevitore e una larghezza di banda estremamente limitata dei trasmettitori e dei ricevitori esistenti. Ciò significa che la velocità dei dati è zero, "Ha detto il leader del progetto NIST Dave Howe.

"La migliore sensibilità al campo magnetico si ottiene utilizzando sensori quantistici. La maggiore sensibilità porta in linea di principio a un raggio di comunicazione più lungo. L'approccio quantistico offre anche la possibilità di ottenere comunicazioni a larghezza di banda elevata come un telefono cellulare. Abbiamo bisogno di larghezza di banda per comunicare con l'audio sott'acqua e in altri ambienti proibitivi, " Egli ha detto.

Come passo verso tale obiettivo, i ricercatori del NIST hanno dimostrato il rilevamento di segnali magnetici modulati digitalmente, questo è, messaggi costituiti da bit digitali 0 e 1, da un sensore di campo magnetico che si basa sulle proprietà quantistiche degli atomi di rubidio. La tecnica NIST varia i campi magnetici per modulare o controllare la frequenza, in particolare, le posizioni orizzontale e verticale della forma d'onda del segnale, prodotta dagli atomi.

"Gli atomi offrono una risposta molto rapida e una sensibilità molto elevata, " Howe ha detto. "Le comunicazioni classiche comportano un compromesso tra larghezza di banda e sensibilità. Ora possiamo ottenere entrambi con i sensori quantistici".

Tradizionalmente, tali magnetometri atomici sono utilizzati per misurare i campi magnetici naturali, ma in questo progetto NIST, vengono utilizzati per ricevere segnali di comunicazione codificati. Nel futuro, il team del NIST prevede di sviluppare trasmettitori migliorati. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Rassegna di strumenti scientifici .

Il metodo quantistico è più sensibile della tecnologia convenzionale dei sensori magnetici e potrebbe essere utilizzato per comunicare, Howe ha detto. I ricercatori hanno anche dimostrato una tecnica di elaborazione del segnale per ridurre il rumore magnetico ambientale, come dalla rete elettrica, che altrimenti limita il raggio di comunicazione. Ciò significa che i ricevitori possono rilevare segnali più deboli o aumentare la portata del segnale, Howe ha detto.

Per questi studi, Il NIST ha sviluppato un magnetometro a corrente continua (DC) in cui la luce polarizzata viene utilizzata come rivelatore per misurare lo "spin" degli atomi di rubidio indotto dai campi magnetici. Gli atomi sono in un minuscolo contenitore di vetro. I cambiamenti nella velocità di rotazione degli atomi corrispondono a un'oscillazione nei campi magnetici DC, creazione di segnali elettronici in corrente alternata (AC), o tensioni al rilevatore di luce, che sono più utili per le comunicazioni.

Tali magnetometri "pompati otticamente", oltre all'elevata sensibilità, offrono vantaggi come il funzionamento a temperatura ambiente, taglia piccola, basso potere e costo, e ridotta interferenza. Un sensore di questo tipo non deriverebbe né richiederebbe la calibrazione.

Nei test del NIST, il sensore ha rilevato segnali significativamente più deboli del tipico rumore del campo magnetico ambientale. Il sensore ha rilevato segnali di campo magnetico modulati digitalmente con intensità di 1 picotesla (un milionesimo dell'intensità del campo magnetico terrestre) e a frequenze molto basse, inferiore a 1 kilohertz (kHz). (Questo è al di sotto delle frequenze della radio VLF, che si estende da 3 a 30 kHz ed è utilizzato per alcuni servizi governativi e militari.) Le tecniche di modulazione hanno soppresso il rumore ambientale e le sue armoniche, o multipli, aumentare efficacemente la capacità del canale.

I ricercatori hanno anche eseguito calcoli per stimare i limiti di comunicazione e di localizzazione. L'intervallo spaziale corrispondente a un buon rapporto segnale-rumore era di decine di metri nell'ambiente di rumore interno dei test NIST, ma potrebbe essere esteso a centinaia di metri se il rumore fosse ridotto ai livelli di sensibilità del sensore. "È meglio di ciò che è possibile ora al chiuso, " disse Howe.

Individuare la posizione è più impegnativo. L'incertezza misurata nella capacità di localizzazione era di 16 metri, molto più alto del target di 3 metri, ma questa metrica può essere migliorata attraverso future tecniche di soppressione del rumore, maggiore larghezza di banda del sensore, e algoritmi digitali migliorati in grado di estrarre con precisione le misurazioni della distanza, Howe spiegato.

Per migliorare ulteriormente le prestazioni, il team del NIST sta ora costruendo e testando un magnetometro quantistico personalizzato. Come un orologio atomico, il dispositivo rileverà i segnali passando tra i livelli di energia interna degli atomi e altre proprietà, Howe ha detto. I ricercatori sperano di estendere la gamma dei segnali del campo magnetico a bassa frequenza aumentando la sensibilità del sensore, sopprimere il rumore in modo più efficace, e aumentare ed utilizzare in modo efficiente la larghezza di banda del sensore.

La strategia del NIST richiede di inventare un campo completamente nuovo, che combina la fisica quantistica e la radio magnetica a bassa frequenza, Howe ha detto. Il team prevede di aumentare la sensibilità sviluppando oscillatori a basso rumore per migliorare i tempi tra trasmettitore e ricevitore e studiando come utilizzare la fisica quantistica per superare i limiti di larghezza di banda esistenti.

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.