Atombasierte Funkkommunikation

Die Forscher demonstrierten einen atombasierten Sensor, der die Richtung eines eingehenden Funksignals bestimmen kann, ein weiterer Schlüsselbestandteil für ein potenzielles atomares Kommunikationssystem, das kleiner sein und in lauten Umgebungen besser funktionieren könnte als herkömmliche Technologie.

Die Fähigkeit, den „Einfallswinkel“ eines Signals zu messen, trägt dazu bei, die Genauigkeit von Radar- und drahtloser Kommunikation sicherzustellen, die echte Nachrichten und Bilder von zufälligen oder absichtlichen Interferenzen trennen müssen. Ein echtes atombasiertes Kommunikationssystem würde 5G und darüber hinaus zugute kommen.

Zwei verschiedenfarbige Laser präparieren gasförmige Cäsiumatome in einem winzigen Glaskolben oder einer Zelle in hochenergetischen (Rydberg) Zuständen, die neuartige Eigenschaften wie extreme Empfindlichkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern aufweisen. Die Frequenz eines elektrischen Feldsignals beeinflusst die von den Atomen absorbierten Lichtfarben. Ein atombasierter „Mischer“ nimmt Eingangssignale und wandelt sie in verschiedene Frequenzen um. Ein Signal dient als Referenz, während ein zweites Signal auf eine niedrigere Frequenz umgewandelt oder verstimmt wird. Laser untersuchen die Atome, um Frequenz- und Phasenunterschiede zwischen den beiden Signalen zu erkennen und zu messen. Phase bezieht sich auf die zeitliche Position elektromagnetischer Wellen relativ zueinander.

Der Mischer misst die Phase des verstimmten Signals an zwei verschiedenen Stellen innerhalb der Atomdampfzelle. Anhand der Phasenunterschiede an diesen beiden Orten können die Forscher die Einfallsrichtung des Signals berechnen. Um den Ansatz zu demonstrieren, maß das Team Phasenunterschiede eines experimentellen 19,18-Gigahertz-Signals an zwei Stellen innerhalb der Dampfzelle für verschiedene Einfallswinkel. Sie verglichen diese Messungen sowohl mit einer Simulation als auch mit einem theoretischen Modell, um die neue Methode zu validieren.

Atombasierte Sensoren haben im Allgemeinen viele mögliche Vorteile, darunter Messungen, die sowohl hochgenau als auch universell sind; das heißt, überall gleich, weil die Atome identisch sind. Auf Atomen basierende Messstandards beinhalten solche für Länge und Zeit.

Mit der Weiterentwicklung können atombasierte Funkempfänger viele Vorteile gegenüber herkömmlichen Technologien bieten. Beispielsweise ist keine herkömmliche Elektronik erforderlich, die Signale für die Übertragung in verschiedene Frequenzen umwandelt, da die Atome die Arbeit automatisch erledigen. Die Antennen und Empfänger können physisch kleiner sein, mit Abmessungen im Mikrometerbereich. Darüber hinaus sind atombasierte Systeme möglicherweise weniger anfällig für einige Arten von Interferenzen und Rauschen.