“量子无线电”可能有助于室内、地下和水下的通信和制图。

美国国家标准与技术研究所（NIST）的研究人员已经证明，量子物理学可能使GPS和普通手机和收音机不能可靠地工作，甚至在室内、城市峡谷、水下和地下都无法正常工作。

该技术可能有助于水手，士兵和测量师，等等。GPS信号在水、土壤或建筑物的墙壁上不能穿透很深或根本无法穿透，因此不能被潜艇或地下活动（如测量地雷）使用。全球定位系统也可能不适合室内或室外的城市摩天大楼。对于士兵来说，在军事或灾难恢复任务中，在瓦砾或许多干扰电磁装置的环境中，无线电信号可能会被阻塞。

NIST的研究小组正在尝试低频磁无线电甚低频（VLF）数字调制的磁信号可以穿过建筑材料远，水土比传统电磁通信信号在更高的频率。

甚低频电磁场已经用于水下潜艇通信。但是没有足够的音频或视频数据承载能力，只是单向文本。潜艇也要拖笨重的天线电缆，慢下来，上升到潜望镜深度（18米，或60英尺，低于表面）进行沟通。

“非常低频通信的大问题，包括磁收音机，接收器的灵敏度和现有发射机和接收机的带宽非常有限。这意味着数据率是零，”NIST项目负责人Dave Howe说。

利用量子传感器获得最佳磁场灵敏度。增加的灵敏度原则上导致更长的通信范围。量子方法也提供了像手机一样获得高带宽通信的可能性。我们需要带宽来与水下音频和其他恶劣环境进行通信，”他说。

作为朝着这一目标迈出的一步，NIST的研究人员证实了由数字传感器调制的磁信号，即由数字比特0和1组成的信息，它是依赖于铷原子的量子特性的磁场传感器。NIST技术改变磁场来调节或控制频率，特别是原子产生的信号波形的水平和垂直位置。

Howe说：“原子能提供非常快的响应和非常高的灵敏度。“经典通信涉及带宽和灵敏度之间的权衡。现在我们可以用量子传感器来获取。

传统上，这样的原子磁力计是用于测量自然产生的磁场，但在NIST的项目，它们被用来接收编码通信信号。将来，NIST团队计划开发改进的发射机。研究人员在科学仪器的评论中发表了他们的结果（链接是外部的）。

量子方法比传统的磁传感器技术更灵敏，可以用来交流，Howe说。研究人员还演示了一种信号处理技术，以减少环境噪声，例如来自电网的噪音，从而限制了通信范围。这意味着接收器可以检测较弱的信号或信号范围可以增加，Howe说。

在这些研究中，NIST开发了一个直流（DC）磁力仪，其中用偏振光作为探测器来测量磁场诱导的铷原子的自旋。原子在一个微小的玻璃容器里。原子自旋速率的变化对应于直流磁场中的振荡，产生交流电（AC）电子信号，或电压在光检测器，这是更有用的通信。

这种“光泵磁力仪”，除了高灵敏度，提供的优势，如室温操作，体积小，低功耗和成本，降低了干扰。这种类型的传感器不会漂移，也不需要校准。

在NIST测试中，传感器检测到的信号明显弱于典型的环境磁场噪声。传感器检测到的数字调制磁场信号与1 picotesla优势（地球的磁场强度的一百万分之一），在非常低的频率低于1千赫（kHz）。（这是在甚低频无线电，横跨3-30千赫和用于一些政府和军事服务。频率）调制技术抑制环境噪声及其谐波，或倍数，有效提高信道容量。

研究人员还进行了计算通信和测距限制的计算。在NIST测试的室内噪声环境中，对应于良好的信噪比的空间范围是几十米，但如果噪声降低到传感器的灵敏度水平，则可以扩展到几百米。“这比现在室内可能的要好，”Howe说。

针对位置是更大的挑战。定位能力的测量不确定度为16米，远高于3米的目标，但这一指标可以通过未来的噪声抑制技术、传感器带宽的增加以及能够精确提取距离测量的数字算法来改进，Howe解释说。

为了进一步提高性能，NIST团队现在正在建造和测试一个定制的量子磁强计。Howe说，就像一个原子钟，这种装置将通过原子内部能级和其他属性之间的转换来检测信号。研究者希望通过提高传感器的灵敏度、更有效地抑制噪声以及增加和有效利用传感器的带宽来扩展低频磁场信号的范围。

Howe说，NIST的战略需要发明一个全新的领域，它结合了量子物理和低频磁电波。该小组计划通过开发低噪声振荡器来提高发射机和接收机之间的定时，并研究如何使用量子物理来超越现有的带宽限制，从而提高灵敏度。