Kvantové rádio. Kredit: Burrus/NIST.

Dnešní zařízení, která využívají ke komunikaci elektromagnetické vlny, jako jsou třeba satelitní navigace, chytré telefony nebo vysílačky, nefungují úplně všude. Například v místnostech, ve sklepeních, husté městské zástavbě, v podzemí anebo pod vodou nebývají právě spolehlivá.

David Howe a kvantové rádio. Kredit: Burrus/NIST.

Výzkumníci amerického národního institutu NIST (National Institute of Standards and Technology) se to rozhodli změnit. Pomoc v tomto případě hledali u kvantové fyziky. Jejich výzkum slibuje technologii, která by měla pomáhat mariňákům, vojákům, topografům i řadě dalších profesí. Signály systému GPS neprocházejí do hlubších vrstev vody, půdy nebo třeba zdí. Na řadě míst je tím pádem GPS k ničemu. Je to velký problém třeba při mapování dolů a podzemních prostor. Stejně tak bývá problém se signály ve městech, uvnitř domů anebo třeba v místech katastrof.

Tým NIST, který vede Dave Howe, experimentuje s nízkofrekvenčním magnetickým rádiem. To používá digitálně modulované magnetické signály o velmi nízké frekvenci. Takové signály mohou projít do země, vody nebo třeba stavebního materiálu hlouběji, než to zvládnou tradiční elektromagnetické signály na vyšších frekvencích.

Logo NIST.

Elektromagnetická pole na velmi nízkých frekvencích se už vlastně využívají pro komunikaci ponořených ponorek. Nemají ale dostatečnou kapacitu na přenos audia nebo videa, zvládnout jenom poslat jedním směrem textovou zprávu. Ponorky při této komunikaci musejí zpomalit a vynořit se do periskopové hloubky (18 metrů pod hladinu). Velkým problémem těchto technologií pro komunikaci je nízká citlivost přijímače a rovněž extrémně omezená šířka pásma frekvencí vysílačů a přijímačů.

Právě v tom může pomoct kvantová fyzika. Nejlepší citlivosti při použití magnetické pole je totiž možné dosáhnout s kvantovými senzory. Kvantový přístup také nabízí možnost komunikace ve větší šíři pásma frekvencí. Howe s kolegy dokázali detekovat digitálně modulované magnetické signály, které obsahovaly digitální informaci v podobě 0 a 1, pomocí senzoru magnetického pole, založeného na kvantových vlastnostech atomů rubidia. Nově vyvinutý magnetometr s využitím polarizovaného světla v něm detekuje spin atomů rubidia. Senzor detekoval magnetické signály na úrovni 1 pikotesla, což odpovídá jedné miliontině síly magnetického pole Země.

Podle Howeho nabízejí senzory založené na kvantovém chování atomů velmi rychlou odpověď a zároveň velmi vysokou citlivost. Podobné atomární magnetometry se využívají k měření přírodně se vyskytujících magnetických polí. Tým NIST je ale dokázal použít k přijímání dat při komunikaci. Tato kvantová technologie je citlivější než tradiční komunikace založená na magnetických senzorech. Vědcům se také povedlo omezit magnetický šum z okolí, který pochází například z elektrické rozvodné sítě.

Vývoj kvantového magnetického rádia je teprve v počátcích. Spoustu věcí bude ještě nutné vyladit, zatím nefunguje na velkou vzdálenost, musí se vypořádávat s magnetickým šumem, a tak dál. Výhledy jsou prý ale slibné.

Literatura
NIST 2. 1. 2018, Review of Scientific Instruments 88: 125005.