Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) demonstraram que a física quântica pode permitir comunicações e mapeamento em locais onde o GPS e telefones celulares comuns e rádios não funcionam de forma confiável ou mesmo em tudo, como dentro de casa, em cânions urbanos, subaquático e subterrâneo.

A tecnologia pode ajudar os marinheiros, soldados e agrimensores, entre outros. Os sinais de GPS não penetram muito profundamente ou não penetram na água, solo ou paredes de construção, e portanto, não pode ser usado por submarinos ou em atividades subterrâneas, como levantamento de minas. O GPS também pode não funcionar bem em ambientes fechados ou mesmo ao ar livre entre os arranha-céus da cidade. Para soldados, sinais de rádio podem ser bloqueados em ambientes desordenados por entulho ou muitos dispositivos eletromagnéticos interferentes durante missões militares ou de recuperação de desastres.

A equipe do NIST está experimentando com rádio magnético de baixa frequência - sinais magnéticos modulados digitalmente de muito baixa frequência (VLF) - que podem viajar mais longe através de materiais de construção, água e solo do que os sinais convencionais de comunicações eletromagnéticas em frequências mais altas.

Os campos eletromagnéticos VLF já são usados ​​debaixo d'água em comunicações submarinas. Mas não há capacidade de transporte de dados suficiente para áudio ou vídeo, apenas textos unilaterais. Os submarinos também devem rebocar cabos de antena pesados, desacelerar e subir até a profundidade do periscópio (18 metros, ou cerca de 60 pés, abaixo da superfície) para se comunicar.

"Os grandes problemas com comunicações de frequência muito baixa, incluindo rádio magnético, é a sensibilidade do receptor pobre e largura de banda extremamente limitada dos transmissores e receptores existentes. Isso significa que a taxa de dados é zero, "O líder do projeto NIST, Dave Howe, disse.

"A melhor sensibilidade do campo magnético é obtida usando sensores quânticos. O aumento da sensibilidade leva, em princípio, a um alcance de comunicação mais longo. A abordagem quântica também oferece a possibilidade de obter comunicações de alta largura de banda como a de um telefone celular. Precisamos de largura de banda para nos comunicarmos com áudio subaquático e em outros ambientes proibitivos, " ele disse.

Como um passo em direção a esse objetivo, os pesquisadores do NIST demonstraram a detecção de sinais magnéticos modulados digitalmente, isso é, mensagens consistindo em bits digitais 0 e 1, por um sensor de campo magnético que se baseia nas propriedades quânticas dos átomos de rubídio. A técnica NIST varia os campos magnéticos para modular ou controlar a frequência - especificamente, as posições horizontal e vertical da forma de onda do sinal - produzida pelos átomos.

"Os átomos oferecem uma resposta muito rápida e uma sensibilidade muito alta, "Howe disse." Comunicações clássicas envolvem uma troca entre largura de banda e sensibilidade. Agora podemos obter os dois com sensores quânticos. "

Tradicionalmente, tais magnetômetros atômicos são usados ​​para medir campos magnéticos que ocorrem naturalmente, mas neste projeto NIST, eles estão sendo usados ​​para receber sinais de comunicação codificados. No futuro, a equipe do NIST planeja desenvolver transmissores aprimorados. Os pesquisadores publicaram seus resultados no Revisão de instrumentos científicos .

O método quântico é mais sensível do que a tecnologia de sensor magnético convencional e pode ser usado para se comunicar, Howe disse. Os pesquisadores também demonstraram uma técnica de processamento de sinal para reduzir o ruído magnético ambiental, como da rede de energia elétrica, o que de outra forma limita o alcance das comunicações. Isso significa que os receptores podem detectar sinais mais fracos ou o alcance do sinal pode ser aumentado, Howe disse.

Para esses estudos, O NIST desenvolveu um magnetômetro de corrente contínua (DC) no qual a luz polarizada é usada como um detector para medir o "spin" de átomos de rubídio induzido por campos magnéticos. Os átomos estão em um minúsculo recipiente de vidro. Mudanças na taxa de rotação dos átomos correspondem a uma oscilação nos campos magnéticos DC, criando sinais eletrônicos de corrente alternada (AC), ou tensões no detector de luz, que são mais úteis para as comunicações.

Esses magnetômetros "opticamente bombeados", além de alta sensibilidade, oferecem vantagens como operação em temperatura ambiente, tamanho pequeno, baixo consumo de energia e custo, e interferência reduzida. Um sensor deste tipo não desviaria ou exigiria calibração.

Nos testes NIST, o sensor detectou sinais significativamente mais fracos do que o ruído de campo magnético ambiente típico. O sensor detectou sinais de campo magnético modulados digitalmente com intensidades de 1 picotesla (um milionésimo da intensidade do campo magnético da Terra) e em frequências muito baixas, abaixo de 1 quilohertz (kHz). (Isso está abaixo das frequências de rádio VLF, que se estende por 3-30 kHz e é usado para alguns serviços governamentais e militares.) As técnicas de modulação suprimiram o ruído ambiente e seus harmônicos, ou múltiplos, aumentando efetivamente a capacidade do canal.

Os pesquisadores também realizaram cálculos para estimar os limites de comunicação e de alcance de localização. A faixa espacial correspondente a uma boa relação sinal-ruído foi de dezenas de metros no ambiente de ruído interno dos testes NIST, mas poderia ser estendido para centenas de metros se o ruído fosse reduzido aos níveis de sensibilidade do sensor. "Isso é melhor do que o que é possível agora dentro de casa, "Howe disse.

Identificar a localização exata é mais desafiador. A incerteza medida na capacidade de localização foi de 16 metros, muito mais alto do que o alvo de 3 metros, mas esta métrica pode ser melhorada por meio de futuras técnicas de supressão de ruído, aumento da largura de banda do sensor, e algoritmos digitais aprimorados que podem extrair medições de distância com precisão, Howe explicou.

Para melhorar ainda mais o desempenho, a equipe do NIST está construindo e testando um magnetômetro quântico personalizado. Como um relógio atômico, o dispositivo detectará sinais alternando entre os níveis de energia interna dos átomos, bem como outras propriedades, Howe disse. Os pesquisadores esperam estender a gama de sinais de campo magnético de baixa frequência, aumentando a sensibilidade do sensor, suprimindo o ruído de forma mais eficaz, e aumentando e com eficiência usando a largura de banda do sensor.

A estratégia do NIST requer a invenção de um campo inteiramente novo, que combina física quântica e rádio magnético de baixa frequência, Howe disse. A equipe planeja aumentar a sensibilidade desenvolvendo osciladores de baixo ruído para melhorar o tempo entre o transmissor e o receptor e estudando como usar a física quântica para superar os limites de largura de banda existentes.

Esta história foi republicada por cortesia do NIST. Leia a história original aqui.