量子技术新应用：有效提升甚低频通信带宽！

2018 年 1 月 3 日 IntelligentThings John

导读

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员利用量子物理技术和甚低频磁信号，在GPS和普通手机信号等无线电信号无法可靠工作，甚至完全无法工作的地方，例如室内、城市峡谷、水下、地下，展开有效地通信和测绘。

背景

说起定位、导航、测绘，我们首先会想到的是GPS。但是某些特定场景中，例如室内、城市峡谷、水下、地下，GPS信号会受到极大的限制，甚至无法开展工作。

GPS信号无法深入地渗透到水、泥土或者建筑物墙体中，甚至根本无法在这些物体中传播。因此，潜艇或者地下活动例如矿藏测量，就无法使用GPS信号。在室内，或者是户外的摩天大楼之间，GPS以及其他无线电信号的工作效果都有可能不好。再比如战争或者灾害救援期间，堆满碎石瓦砾的环境，以及电磁干扰设备，都会阻碍无线电信号的传输，从而影响士兵完成任务。

然而，甚低频（VLF）无线电信号可以作为解决上述问题的一种方案。VLF无线电波的频率范围是3~30kHz，传输距离远，穿透能力强。它可以穿透建筑材料、水和泥土。这种甚低频信号已广泛应用于军用和民用领域，例如：潜艇通讯、远距离通信、超远距离导航、远距离导航、无线心跳频率检测器、地球物理学研究和灾害救援等。在诸多应用中，潜艇水下通信的应用最为突出，它能够解决岸上指挥所与海上潜艇进行远距离、大深度通信的难题。

（图片来源：维基百科）

创新

近日，美国国家标准与技术研究院（NIST）的研究人员利用量子物理技术和甚低频数字调制的磁信号，在GPS和普通手机信号等无线电信号无法可靠工作，甚至完全无法工作的地方，例如室内、城市峡谷、水下、地下，展开有效地通信和测绘。

（图片来源：Burrus/NIST）

该研究成果发表于《科学仪器评论》（Review of Scientific Instruments）杂志。

技术

VLF电磁场已经在潜艇的水下通信中使用。但是，它携带音频或者视频数据的能力不足，只能进行单向的文字传输。此外，潜艇还必需拖着笨重的天线，慢慢地上升到潜望深度（水面以下18米或者60英尺），才能进行通信。

NIST的项目负责人 Dave Howe 表示：“包含磁信号在内的甚低频通信的最大问题就是，接收机的低灵敏度以及现有的发射机和接收机的带宽极为有限。

他说：“通过量子传感器可以获取到的最佳的磁场灵敏度。量子方案也为达到如同手机一样的高带宽通信提供了可能性。我们需要带宽，以便在水下或者其他险恶的环境中传输音频。”

作为向目标迈进的一步，NIST研究人员演示了，通过依赖于铷原子量子特性的磁场传感器，检测数字调制的磁信号，其中传输的信息由二进制的比特位0和1组成。NIST的技术使得磁场发生变化，以便调制或控制由原子产生的频率，具体说也就是改变信号波形的水平和垂直位置。

（图片来源：参考资料【2】）

Howe 表示：“原子提供了灵敏度很高的快速响应脉冲。经典的通信系统会折衷考虑带宽和灵敏度。现在我们通过量子传感器可以二者兼顾。”

传统意义上，这种原子的磁强计是用于测量自然产生的磁场。但是，在NIST的项目中，它们被用于接受经过编码的通信信号。未来，他们还计划开发改良的发射机。

Howe 表示，量子方法比传统的磁传感器技术更加灵敏，可以用于通信。研究人员也演示了一种信号处理技术，用于降低环境磁噪音，例如来自电网的磁噪音会限制通信范围。这意味着接收机可以检测更微弱的信号，或者信号的传输范围将得以提升。

为了进行这些研究，NIST开发了一种直流（DC）磁强计，其中的偏振光作为一种检测器，用于测量由磁场引发的铷原子“自旋”。原子存在于微小的玻璃容器中。原子的自旋速率的变化，与直流磁场中的振荡相对应，这种振荡创造出交流电信号，或者光线检测器中的电压，对于通信来说更有用处。

这种“光泵浦”（optically pumped）磁强计，除了具有高灵敏度，还具有可在室温下操作、体积小、低功耗、低成本、减少干扰等优点。这种类型的传感器不会产生偏移或者需要校准。

在NIST的测试中，传感器检测到的信号明显弱于典型的环境磁场噪音。这种传感器检测到的数字调制的磁场信号强度为1微微特斯拉（地球磁场强度的百万分之一），而且频率甚至低于1 kHz。调制技术抑制了环境噪音，它的谐波（harmonics）有效增加了信道容量。

为了评估通信和位置范围限制，研究人员也进行了计算。在NSIT测试中，对于一个良好的信噪比来说，在室内噪音环境下的空间范围是几十米，但是如果噪音降低至传感器的灵敏度级别，那么范围将扩展至几百米。Howe
表示：“这比室内的更好。”

Howe 解释道，准确定位更具挑战性。位置测量不确定度为16米，比3米的目标值要高很多，但是未来的噪声抑制技术、传感器带宽的增加、精准提取距离测量值的改进的数字算法，都可以改善这种测量。

为了进一步提升性能，NIST 团队现在正在构建和测试客制化的量子磁强计。Howe 表示，该设备就好像一个原子钟，将检测到原子内部能级之间的切换及其他特性。研究人员希望通过提升传感器的灵敏度，从而扩展低频磁场信号的范围，更有效地抑制噪音，增加并有效利用传感器的带宽。

价值

这种量子传感器不仅具有最佳的磁场灵敏度，也帮助提升了甚低频通信的带宽。这项技术将帮助水手、士兵、勘测员等更多行业人员的工作，惠及甚低频通信的诸多应用领域。

未来

Howe 表示，NIST的方案需要创造一个全新的领域，它结合了量子物理和低频磁信号。团队计划通过开发低噪音振荡器，以改善接收机与发射机之间的时序，同时研究如何利用量子物理超越现有的带宽限制。

关键字

量子技术、通信、定位、传感器

参考资料

【1】https://www.nist.gov/news-events/news/2018/01/quantum-radio-may-aid-communications-and-mapping-indoors-underground-and

【2】V. Gerginov, F. C. S. da Silva, D. Howe. Prospects for magnetic field communications and location using quantum sensors. Review of Scientific Instruments, 2017; 88 (12): 125005 DOI: 10.1063/1.5003821