量子技術新應用：有效提升甚低頻通信帶寬！

導讀

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員利用量子物理技術和甚低頻磁信號，在GPS和普通手機信號等無線電信號無法可靠工作，甚至完全無法工作的地方，例如室內、城市峽谷、水下、地下，展開有效地通信和測繪。

背景

說起定位、導航、測繪，我們首先會想到的是GPS。但是某些特定場景中，例如室內、城市峽谷、水下、地下，GPS信號會受到極大的限制，甚至無法開展工作。

GPS信號無法深入地滲透到水、泥土或者建築物牆體中，甚至根本無法在這些物體中傳播。因此，潛艇或者地下活動例如礦藏測量，就無法使用GPS信號。在室內，或者是戶外的摩天大樓之間，GPS以及其他無線電信號的工作效果都有可能不好。再比如戰爭或者災害救援期間，堆滿碎石瓦礫的環境，以及電磁干擾設備，都會阻礙無線電信號的傳輸，從而影響士兵完成任務。

然而，甚低頻（VLF）無線電信號可以作為解決上述問題的一種方案。VLF無線電波的頻率範圍是3~30kHz，傳輸距離遠，穿透能力強。它可以穿透建築材料、水和泥土。這種甚低頻信號已廣泛應用于軍用和民用領域，例如：潛艇通訊、遠距離通信、超遠距離導航、遠距離導航、無線心跳頻率檢測器、地球物理學研究和災害救援等。在諸多應用中，潛艇水下通信的應用最為突出，它能夠解決岸上指揮所與海上潛艇進行遠距離、大深度通信的難題。

（圖片來源： 維基百科）

創新

近日，美國國家標準與技術研究院（NIST）的研究人員利用量子物理技術和甚低頻數字調製的磁信號，在GPS和普通手機信號等無線電信號無法可靠工作，甚至完全無法工作的地方，例如室內、城市峽谷、水下、地下，展開有效地通信和測繪。

（圖片來源：Burrus/NIST）

該研究成果發表於《科學儀器評論》（Review of Scientific Instruments）雜誌。

技術

VLF電磁場已經在潛艇的水下通信中使用。但是，它攜帶音頻或者視頻數據的能力不足，只能進行單向的文字傳輸。此外，潛艇還必需拖著笨重的天線，慢慢地上升到潛望深度（水面以下18米或者60英尺），才能進行通信。

NIST的項目負責人 Dave Howe 表示：「包含磁信號在內的甚低頻通信的最大問題就是，接收機的低靈敏度以及現有的發射機和接收機的帶寬極為有限。

他說：「通過量子感測器可以獲取到的最佳的磁場靈敏度。量子方案也為達到如同手機一樣的高帶寬通信提供了可能性。我們需要帶寬，以便在水下或者其他險惡的環境中傳輸音頻。」

作為向目標邁進的一步，NIST研究人員演示了，通過依賴於銣原子量子特性的磁場感測器，檢測數字調製的磁信號，其中傳輸的信息由二進位的比特位0和1組成。NIST的技術使得磁場發生變化，以便調製或控制由原子產生的頻率，具體說也就是改變信號波形的水平和垂直位置。

（圖片來源：參考資料【2】）

Howe 表示：「原子提供了靈敏度很高的快速響應脈衝。經典的通信系統會折衷考慮帶寬和靈敏度。現在我們通過量子感測器可以二者兼顧。」

傳統意義上，這種原子的磁強計是用於測量自然產生的磁場。但是，在NIST的項目中，它們被用於接受經過編碼的通信信號。未來，他們還計劃開發改良的發射機。

Howe 表示，量子方法比傳統的磁感測器技術更加靈敏，可以用於通信。研究人員也演示了一種信號處理技術，用於降低環境磁噪音，例如來自電網的磁噪音會限制通信範圍。這意味著接收機可以檢測更微弱的信號，或者信號的傳輸範圍將得以提升。

為了進行這些研究，NIST開發了一種直流（DC）磁強計，其中的偏振光作為一種檢測器，用於測量由磁場引發的銣原子「自旋」。原子存在於微小的玻璃容器中。原子的自旋速率的變化，與直流磁場中的振蕩相對應，這種振蕩創造出交流電信號，或者光線檢測器中的電壓，對於通信來說更有用處。

這種「光泵浦」（optically pumped）磁強計，除了具有高靈敏度，還具有可在室溫下操作、體積小、低功耗、低成本、減少干擾等優點。這種類型的感測器不會產生偏移或者需要校準。

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噪音。這種感測器檢測到的數字調製的磁場信號強度為1微微特斯拉（地球磁場強度的百萬分之一），而且頻率甚至低於1 kHz。調製技術抑制了環境噪音，它的諧波（harmonics）有效增加了信道容量。

為了評估通信和位置範圍限制，研究人員也進行了計算。在NSIT測試中，對於一個良好的信噪比來說，在室內噪音環境下的空間範圍是幾十米，但是如果噪音降低至感測器的靈敏度級別，那麼範圍將擴展至幾百米。Howe

表示：「這比室內的更好。」

Howe 解釋道，準確定位更具挑戰性。位置測量不確定度為16米，比3米的目標值要高很多，但是未來的雜訊抑制技術、感測器帶寬的增加、精準提取距離測量值的改進的數字演算法，都可以改善這種測量。

為了進一步提升性能，NIST 團隊現在正在構建和測試客制化的量子磁強計。Howe 表示，該設備就好像一個原子鐘，將檢測到原子內部能級之間的切換及其他特性。研究人員希望通過提升感測器的靈敏度，從而擴展低頻磁場信號的範圍，更有效地抑制噪音，增加並有效利用感測器的帶寬。

價值

這種量子感測器不僅具有最佳的磁場靈敏度，也幫助提升了甚低頻通信的帶寬。這項技術將幫助水手、士兵、勘測員等更多行業人員的工作，惠及甚低頻通信的諸多應用領域。

未來

Howe 表示，NIST的方案需要創造一個全新的領域，它結合了量子物理和低頻磁信號。團隊計劃通過開發低噪音振蕩器，以改善接收機與發射機之間的時序，同時研究如何利用量子物理超越現有的帶寬限制。

關鍵字

量子技術、通信、定位、感測器

參考資料

【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

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