量子磁通信電台實現通信能力躍升

據信號雜誌2018年5月1日報道，美國家標準與技術研究院（NIST）正在研製一種基於量子物理的技術，此項技術能使第一響應人員、作戰人員和船員在無線電和衛星通信受限或不存在的地區實現通信和導航。這種能力將使軍事和應急人員能夠在城市峽谷、瓦礫下、建築物內、地下甚至水下保持連接。

1 項目簡介

這一系統使用原子磁力計作為無線電接收機，檢測甚低頻（VLF）數字調製信號。它的核心是一個內含銣原子的微型玻璃小瓶，銣原子被激光束照射，銣原子受到信號影響原子自旋會發生變化，激光束可感知這些變化。這種量子特性使得該設備能夠探測VLF磁信號。與較高頻率的傳統通信信號相比，這種信號在岩石、泥土、混凝土和水中傳播距離更遠。

對於該項目，NIST的研究人員研發了一種直流（DC）磁力計使用偏振激光作為檢測器，測量磁場引發的銣原子自旋。原子旋轉速率的變化對應直流磁場振蕩。該振蕩在激光探測器處產生一個交流電信號或電壓，這對通信效用更大。

作為接收器，磁力計及其銣原子讓研究人員可以檢測以「0」、「1」形式發送數字比特信息的數字調製磁信號。研究人員通過改變磁場控制原子產生的頻率（即信號波形的水平和垂直位置）。原子同時具有極快的響應速度和極高的靈敏度。經典通信需要在帶寬和靈敏度間進行權衡，而採用量子感測器可二者兼得。

2 傳統VLF無線通信VS.量子磁無線通信

（1）傳統VLF無線通信的局限性

·傳統VLF無線電通信的一個問題是需要非常大的天線。如果第一響應人員使用這種設備，可能需要與人一樣大的環形天線。原子磁力計的一個優點是尺寸很小，是手持設備的理想選擇。此外，與笨重的天線相比，量子磁力儀具備超高磁場靈敏度。

·VLF通信的另一個問題是接收靈敏度差，包括磁電台，而且現有發射機和接收機的帶寬極其有限，也就是說數據率很低。

（2）量子磁無線通信的優勢

·研究人員一直在考慮量子感測器的通信潛力。最初的目標是幫助地下或室內環境下的第一響應人員之間相互通信以及與地麵糰隊通信。商業上可用的地下通信系統為礦工提供了一種礦井塌方期間的通信手段，但這些系統很大且大部分只能靜止使用，不適合搜救小隊使用。

·量子電台可發揮優勢的另一領域是水下。潛艇目前使用VLF電台進行通信，但需部署長距離電纜並上升到潛望鏡深度（距水面約60英尺），帶寬也極為有限，大部分情況下只能單向傳輸一些文本消息。

·量子電台比現有的磁感測器技術更為靈敏。關鍵的一步是開發信號處理技術，減少會限制通信範圍的自然及人為環境雜訊。

例如，來自電力線的電磁信號雜訊是VLF通信的主要障礙。但是VLF電台可以在電力線雜訊頻譜的低點運行，就像NIST量子電台中使用的磁力計一樣。這種信號處理技術可以檢測到較弱的信號，提高了信號傳播距離。

使用量子感測器可實現最佳磁場靈敏度。原則上講，靈敏度越高，通信距離越長。使用量子方法還可能實現類似手機的高帶寬通信，水下聲通信以及其它困難環境下通信都需要帶寬。

·除了高靈敏度之外，上述磁力計還有幾個關鍵優勢，比如室溫運行、體積小、功耗低、成本低、信號接收效果好等。這種感測器不會漂移，無需校準。

在測試過程中，量子感測器檢測到比平均背景磁場雜訊弱得多的信號，它可以感測弱到1皮特斯拉（地球磁場強度的百萬分之一）的數字調製磁場信號，並且是在低於1kHz的非常低的頻率上。這一頻率低於某些政府和軍事應用中採用的VLF（3 kHz~30 kHz）無線電頻率。NIST開發的調製技術抑制了環境雜訊及其諧波，增加了量子電台的信道容量。

測試表明，室內環境下，具有良好的信噪比條件下，量子電台通信距離可達數十米。如果雜訊降低到感測器的靈敏度水平，通信距離可能會擴展到數百米，優於目前室內使用的技術水平。

3 量子磁無線通信電台研發存在的問題

儘管如此，該量子電台的某些方面仍需改進。一項挑戰與精確定位相關。NIST原型設備的位置報告不確定性達52英尺，遠遠高於10英尺的預設目標。隨著未來雜訊抑制技術的發展，感測器帶寬的增加和演算法的改進，這一問題將會得到改善，可實現精確測距。

NIST的研究人員現在正在建造和測試改進的量子磁力計。該器件與原子鐘一樣，可通過檢測信號對原子內部能級的影響的方式檢測信號。研究人員希望新的磁力計及其靈敏度的提高能夠增加量子電台檢測VLF磁場信號的距離，並且通過更有效地抑制雜訊、擴展感測器帶寬和效率。

VLF技術面臨的一個挑戰是降噪。由於在極低頻率處存在人為和自然發生的雜訊，研究人員考慮了各種雜訊濾波方法。提高感測器靈敏度的缺點是也同時增強了背景噪音，但擁有更多帶寬意味著有更強的能力去使用一整套非常好的降噪技術。

4 發展前景

為了開發量子電台，NIST的科學家們開創了一個將量子物理與低頻磁無線電研究相結合的新領域。美國防部對這一技術表現出濃厚的興趣，NIST獲得了海軍研究辦公室和陸軍研究實驗室的額外資助，幫助NIST研發量子無線電技術。隨著量子電台原型的完成，NIST正與私營部門和國防部等政府機構溝通，進一步研製生產型號。

（阮貝娜 編譯）

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