Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) ont démontré que la physique quantique pourrait permettre les communications et la cartographie dans des endroits où le GPS et les téléphones portables et radios ordinaires ne fonctionnent pas de manière fiable, voire pas du tout, comme à l'intérieur, dans les canyons urbains, sous l'eau et sous terre.

La technologie peut aider les marins, soldats et arpenteurs, entre autres. Les signaux GPS ne pénètrent pas très profondément ou pas du tout dans l'eau, le sol ou les murs du bâtiment, et donc, ne peut pas être utilisé par des sous-marins ou dans des activités souterraines telles que l'arpentage de mines. Le GPS peut également ne pas bien fonctionner à l'intérieur ou même à l'extérieur parmi les gratte-ciel de la ville. Pour les soldats, les signaux radio peuvent être bloqués dans des environnements encombrés de décombres ou de nombreux dispositifs électromagnétiques perturbateurs lors de missions militaires ou de récupération après sinistre.

L'équipe du NIST expérimente des radios magnétiques à basse fréquence - des signaux magnétiques à très basse fréquence (VLF) modulés numériquement - qui peuvent voyager plus loin à travers les matériaux de construction, l'eau et le sol que les signaux de communication électromagnétiques conventionnels à des fréquences plus élevées.

Les champs électromagnétiques VLF sont déjà utilisés sous l'eau dans les communications sous-marines. Mais il n'y a pas assez de capacité de transport de données pour l'audio ou la vidéo, juste des textes à sens unique. Les sous-marins doivent également remorquer des câbles d'antenne encombrants, ralentir et remonter jusqu'à la profondeur du périscope (18 mètres, ou environ 60 pieds, sous la surface) pour communiquer.

"Les gros problèmes avec les communications à très basse fréquence, y compris la radio magnétique, est la faible sensibilité du récepteur et la bande passante extrêmement limitée des émetteurs et récepteurs existants. Cela signifie que le débit de données est nul, ", a déclaré Dave Howe, chef de projet du NIST.

"La meilleure sensibilité au champ magnétique est obtenue à l'aide de capteurs quantiques. La sensibilité accrue conduit en principe à une portée de communication plus longue. L'approche quantique offre également la possibilité d'obtenir des communications à large bande comme un téléphone portable. Nous avons besoin de bande passante pour communiquer avec l'audio sous l'eau et dans d'autres environnements interdits, " il a dit.

Comme un pas vers cet objectif, les chercheurs du NIST ont démontré la détection de signaux magnétiques modulés numériquement, C'est, messages constitués des bits numériques 0 et 1, par un capteur de champ magnétique qui s'appuie sur les propriétés quantiques des atomes de rubidium. La technique NIST fait varier les champs magnétiques pour moduler ou contrôler la fréquence, en particulier, les positions horizontale et verticale de la forme d'onde du signal, produite par les atomes.

"Les atomes offrent une réponse très rapide ainsi qu'une sensibilité très élevée, " Howe a déclaré. "Les communications classiques impliquent un compromis entre la bande passante et la sensibilité. Nous pouvons maintenant obtenir les deux avec des capteurs quantiques."

Traditionnellement, de tels magnétomètres atomiques sont utilisés pour mesurer des champs magnétiques naturels, mais dans ce projet du NIST, ils sont utilisés pour recevoir des signaux de communication codés. À l'avenir, l'équipe du NIST prévoit de développer des émetteurs améliorés. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans le Examen des instruments scientifiques .

La méthode quantique est plus sensible que la technologie conventionnelle des capteurs magnétiques et pourrait être utilisée pour communiquer, a dit Howe. Les chercheurs ont également démontré une technique de traitement du signal pour réduire le bruit magnétique environnemental, tels que du réseau électrique, ce qui, par ailleurs, limite la portée des communications. Cela signifie que les récepteurs peuvent détecter des signaux plus faibles ou que la portée du signal peut être augmentée, a dit Howe.

Pour ces études, Le NIST a développé un magnétomètre à courant continu (CC) dans lequel la lumière polarisée est utilisée comme détecteur pour mesurer le "spin" des atomes de rubidium induit par les champs magnétiques. Les atomes sont dans un petit récipient en verre. Les changements de vitesse de spin des atomes correspondent à une oscillation des champs magnétiques continus, créer des signaux électroniques à courant alternatif (AC), ou des tensions au détecteur de lumière, qui sont plus utiles pour les communications.

De tels magnétomètres "à pompage optique", en plus d'une sensibilité élevée, offrent des avantages tels que le fonctionnement à température ambiante, petite taille, faible puissance et coût, et des interférences réduites. Un capteur de ce type ne dériverait pas et ne nécessiterait pas d'étalonnage.

Dans les tests NIST, le capteur a détecté des signaux significativement plus faibles que le bruit de champ magnétique ambiant typique. Le capteur a détecté des signaux de champ magnétique modulés numériquement avec des intensités de 1 picotesla (un millionième de l'intensité du champ magnétique terrestre) et à des fréquences très basses, en dessous de 1 kilohertz (kHz). (C'est en dessous des fréquences de la radio VLF, qui s'étend sur 3-30 kHz et est utilisé pour certains services gouvernementaux et militaires.) Les techniques de modulation ont supprimé le bruit ambiant et ses harmoniques, ou multiples, augmenter efficacement la capacité du canal.

Les chercheurs ont également effectué des calculs pour estimer les limites de communication et de localisation. La portée spatiale correspondant à un bon rapport signal sur bruit était de plusieurs dizaines de mètres dans l'environnement sonore intérieur des tests NIST, mais pourrait être étendu à des centaines de mètres si le bruit était réduit aux niveaux de sensibilité du capteur. "C'est mieux que ce qui est possible maintenant à l'intérieur, " a dit Howe.

Localiser l'emplacement est plus difficile. L'incertitude mesurée dans la capacité de localisation était de 16 mètres, bien plus haut que la cible de 3 mètres, mais cette métrique peut être améliorée grâce à de futures techniques de suppression du bruit, augmentation de la bande passante du capteur, et des algorithmes numériques améliorés qui peuvent extraire avec précision les mesures de distance, Howe a expliqué.

Pour améliorer encore les performances, l'équipe du NIST construit et teste actuellement un magnétomètre quantique personnalisé. Comme une horloge atomique, l'appareil détectera les signaux en basculant entre les niveaux d'énergie internes des atomes ainsi que d'autres propriétés, a dit Howe. Les chercheurs espèrent étendre la gamme des signaux de champ magnétique basse fréquence en augmentant la sensibilité du capteur, supprimer le bruit plus efficacement, et augmenter et utiliser efficacement la bande passante du capteur.

La stratégie du NIST nécessite d'inventer un tout nouveau domaine, qui combine la physique quantique et la radio magnétique basse fréquence, a dit Howe. L'équipe prévoit d'augmenter la sensibilité en développant des oscillateurs à faible bruit pour améliorer la synchronisation entre l'émetteur et le récepteur et en étudiant comment utiliser la physique quantique pour dépasser les limites de bande passante existantes.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.