美國國家標準與技術研究所利用「量子無線電」進行室內、地下和水下通信與測繪

美國國家標準與技術研究所（NIST）已經證實，量子物理學可以幫助GPS、手機和無線電接收機在其無法工作的地方（如室內、城市峽谷、水下和地下）實現通信和測繪。

背景

GPS信號無法穿透水、土壤或建築物，因此不能用於潛艇或地下活動（如測量地雷）。GPS系統在某些室內或室外環境、甚至是在城市摩天大樓之間也可能無法正常工作。對士兵來說，無線電信號可能會在軍事行動或災難救援任務中，被環境中的瓦礫和多種干擾電磁器件阻斷，影響任務實施。

低頻磁無線電

NIST的團隊正在測試低頻磁無線電（一種甚低頻（VLF）數字調製的電磁信號），這種無線電的頻率較高，比傳統的電磁通信信號的傳播距離遠。甚低頻電磁學已經用於水下潛艇通信，但是它沒有足夠的音頻或視頻數據承載能力，只能單向傳輸文本。而且潛艇還必須拖拽笨重的天線電纜，減速同時上升至潛望鏡深度（低於水面約18米）才可以進行通信。

NIST項目負責人戴夫·豪表示，包括磁性無線電在內的甚低頻通信最大的問題就是接收機的靈敏度較差，現有發射機和接收器的帶寬有限,其數據率基本為零。利用量子感測器可以獲得最佳磁場靈敏度。原則上,靈敏度的增加可以增大通信範圍。量子感測器還有可能提供高帶寬通信，而高帶寬正是水下和其他惡劣環境下音頻通信的需求。

技術需求

為了實現這一目標，NIST研究人員演示使用依賴於銣原子的量子特性的磁感測器檢測數字調製磁性信號（由數字位0和1組成的信息）的過程。NIST的技術是通過改變磁場來調節或控制原子產生的頻率,原子可快速反應,具備較高靈敏度。傳統通信需權衡帶寬和靈敏度，而現在可以利用量子感測器同時獲得高帶寬和較高的靈敏度。量子方法比傳統的磁感測器技術更靈敏，可以用於通信。傳統上，這種原子磁強計被用來測量自然產生的磁場，但在該項目中，它們被用來接收編碼的通信信號。研究人員還演示了一個能夠降低環境磁性雜訊的信號加工技術，這意味著接收機可以檢測到較弱的信號，並且可以增加信號範圍。未來，研究團隊計劃開發改進的發射機。

為了進行這些研究，NIST開發了一種直流（DC）磁力計，其中的偏振光起到探測器的作用來測量由磁場引起的銣原子的「自旋」。原子自旋速率的變化會引起直流磁場中的震蕩，產生交流電（AC）電子信號或光檢測器中的電壓，這兩者可用於通信。這種「光泵磁力儀」具有靈敏度高、體積小、功耗低、成本低、干擾小等特點，還可在室溫下工作，這種類型的感測器不會漂移、不需要校準。

技術測試

在NIST的測試中，感測器檢測到的信號明顯弱於典型的環境磁場雜訊。感測器檢測到的數字調製磁場信號強度只有1 picotesla（地球磁場強度的一百萬分之一），頻率低於1千赫。該頻率低於一些政府和軍事部門使用的甚低頻無線電（3-30千赫）。調製技術抑制了環境雜訊及其諧波或多次波，有效提高了信道容量。

研究人員為估計通信和定位範圍的限制進行了計算。在室內雜訊環境下，量子感測器的信噪比為數十米，若將雜訊降至感測器的靈敏度水平，通信範圍可擴展至數百米。這一結果比目前的室內通信範圍廣的多。精確定位技術更有挑戰性。量子感測器的定位精度為16米，遠高於3米的目標。但可通過未來的雜訊抑制技術、增加感測器帶寬、改進距離測量的數字演算法等方式來提高測量精度。

為了進一步提高性能，研究團隊還在建造和測試一個定製的量子磁強計。與原子鐘一樣，該設備通過切換原子內部能級和其他屬性來檢測信號。研究人員希望通過提高感測器的靈敏度，有效抑制雜訊，增加和有效利用感測器的帶寬來擴大低頻磁場信號的範圍。

前景

NIST的戰略需求催生了一個全新的領域，該領域是量子物理學和低頻磁性無線電的融合。研究團隊計劃通過開發低雜訊振蕩器來提高靈敏度，以改善發射機和接收機之間的授時，並研究如何利用量子物理學來超越現有的帶寬限制。

來源：GPS日報/圖片來自互聯網

中國國防科技信息中心 張珂

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