Исследователи из Национального Института стандартов и технологий (NIST) продемонстрировали, что квантовые технологии позволяют сделать возможными коммуникации и определение местоположения в помещениях, под водой и под землёй — там, где не работают GPS, сотовые телефоны и радиостанции.

Команда NIST экспериментирует с низкочастотной магнитной связью. Модулированные цифровым образом магнитные сигналы с частотой несколько герц уже применяются для коммуникаций между подводными лодками, но ничтожная пропускная способность канала заставляет ограничиваться поочередной передачей текстовых сообщений. К тому же, подлодками приходится буксировать громоздкие антенные кабели, останавливаться для сеанса связи и подниматься на перископную глубину.

«Большой проблемой сверхнизкочастотных коммуникаций, включая магнитную связь, является слабая чувствительность приёмника и крайне ограниченная полоса пропускания существующих передатчиков и приемников, — пишет руководитель проекта NIST, Дэйв Хоув (Dave Howe) в статье, вышедшей в журнале Review of Scientific Instruments. — Самая лучшая чувствительность к магнитному полю получена у квантовых датчиков, что в принципе обещает увеличение дальности коммуникаций и повышение пропускной способности до уровня сотовой связи».

Описанная в статье демонстрация включает детектирование магнитных сигналов с цифровой модуляцией (представляющих последовательность двоичных единиц и нулей) датчиком магнитного поля, использующим квантовые свойства атомов рубидия.

«Атомы обеспечивают очень быстрый отклик и очень высокую чувствительность. Классические коммуникации это всегда компромисс между полосой пропускания и чувствительностью, но квантовые сенсоры дают и то и другое», — заявляет Хоув. В дополнение к этому была использована техника обработки сигналов, позволяющая снизить фоновый шум и увеличить дальность связи.

Созданный авторами магнитометр с оптической накачкой помимо высокой чувствительности имеет и другие преимущества: работает при комнатной температуре, не требует калибровки, имеет небольшие размеры и низкую себестоимость.

В экспериментах такой сенсор регистрировал сигналы в 1 пикотесла (в миллион раз меньше интенсивности магнитного поля на поверхности Земли) с частотой менее одного килогерца. Расчётная дальность связи в здании составляет десятки метров, а при снижении помех до уровня чувствительности датчика она может увеличиваться до сотен метров.

Ошибка в определении координат для этого метода сейчас слишком велика и составляет 16 метров, однако учёные рассчитывают в будущем снизить её до 3 метров посредством улучшения чувствительности и пропускной способности датчиков, более эффективного подавления шума и применения подвинутых цифровых алгоритмов измерения расстояний.