Atome in einer Glasdampfzelle werden mit Laserstrahlen in Rydberg-Zustände angeregt. Sie erkennen die elektrischen Felder (die von der Goldantenne im Hintergrund kommen) und prägen die Informationen wieder auf die Laserstrahlen. Bildnachweis: US Army
Ein Quantensensor könnte Soldaten die Möglichkeit geben, Kommunikationssignale über das gesamte Hochfrequenzspektrum von 0 bis 100 GHz zu erfassen, so Forscher der Armee.
Eine derart breite spektrale Abdeckung durch eine einzelne Antenne ist mit einem herkömmlichen Empfängersystem unmöglich und würde mehrere Systeme einzelner Antennen, Verstärker und anderer Komponenten erfordern.
Im Jahr 2018 haben Wissenschaftler der Armee als erste weltweit einen Quantenempfänger entwickelt, der hoch angeregte, überempfindliche Atome – sogenannte Rydberg-Atome – zur Erkennung von Kommunikationssignalen verwendet, sagte David Meyer, Wissenschaftler beim US Army Combat Capabilities Development Command Forschungslabor der Armee. Die Forscher berechneten die Kanalkapazität oder Datenübertragungsrate des Empfängers auf der Grundlage grundlegender Prinzipien und erreichten diese Leistung dann experimentell in ihrem Labor – und verbesserten die Ergebnisse anderer Gruppen um Größenordnungen, sagte Meyer.
„Diese neuen Sensoren können sehr klein und praktisch nicht nachweisbar sein, was Soldaten einen störenden Vorteil verschafft“, sagte Meyer. „Rydberg- Atom- basierte Sensoren wurden erst kürzlich für allgemeine Anwendungen zur Erfassung elektrischer Felder in Betracht gezogen, auch als Kommunikationsempfänger. Obwohl bekannt ist, dass Rydberg-Atome weitgehend empfindlich sind, wurde eine quantitative Beschreibung der Empfindlichkeit über den gesamten Betriebsbereich nie durchgeführt. “
Um mögliche Anwendungen zu bewerten, führten Wissenschaftler der Armee eine Analyse der Empfindlichkeit des Rydberg-Sensors gegenüber oszillierenden elektrischen Feldern über einen enormen Frequenzbereich von 0 bis 1012 Hertz durch. Die Ergebnisse zeigen, dass der Rydberg-Sensor Signale über das gesamte Spektrum zuverlässig erfassen und mit anderen etablierten Technologien für elektrische Feldsensoren wie elektrooptischen Kristallen und Dipolantennen-gekoppelter passiver Elektronik vergleichen kann.
„Die Quantenmechanik ermöglicht es uns, die Sensorkalibrierung und die ultimative Leistung in sehr hohem Maße zu kennen, und sie ist für jeden Sensor identisch“, sagte Meyer. „Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt, um festzustellen, wie dieses System vor Ort eingesetzt werden kann.“
Diese Arbeit unterstützt die Modernisierungsprioritäten der Armee in Computernetzwerken der nächsten Generation und sichert Position, Navigation und Timing, da sie möglicherweise neuartige Kommunikationskonzepte oder Ansätze zur Erkennung von HF-Signalen für die Geolokalisierung beeinflussen könnte.
In Zukunft werden Armeewissenschaftler Methoden untersuchen, um die Empfindlichkeit zur Erkennung noch schwächerer Signale weiter zu verbessern und Erkennungsprotokolle für kompliziertere Wellenformen zu erweitern.
Referenz: „Journal of Physics B: Atom-, Molekular- und Optische Physik“ von David H. Meyer, Zachary A. Castillo, Kevin C. Cox und Paul D. Kunz, 10. Januar 2020, Journal of Physics B: Atom-, Molekular- und Optische Physik .
DOI: 10.1088 / 1361-6455 / ab6051
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