Donde el GPS no llega, física cuántica

La física cuántica podría permitir las comunicaciones y el mapeo en lugares donde el GPS y otros dispositivos no funcionan como en interiores, bajo el agua y bajo tierra, según un nuevo estudio que recoge Europa Press.

La nueva tecnología puede ayudar a los marinos, militares y topógrafos, entre otros. Las señales de GPS no penetran muy profundamente o en absoluto en el agua, el suelo o las paredes de los edificios y, por lo tanto, no pueden ser utilizadas por submarinos ni en actividades subterráneas como las minas topográficas. El GPS también puede no funcionar bien en interiores o incluso al aire libre entre los rascacielos de una ciudad. Para los militares, las señales de radio pueden ser bloqueadas en entornos llenos de escombros o en muchos dispositivos electromagnéticos que interfieren durante misiones militares o de recuperación de desastres.

Un equipo del NIST (National Institute of Standards and Technology) está experimentando con señales magnéticas de radio de baja frecuencia --señales magnéticas moduladas digitalmente de muy baja frecuencia--, que pueden viajar más lejos a través de materiales de construcción, agua y suelo que las señales de comunicaciones electromagnéticas convencionales a frecuencias más altas.

Los campos electromagnéticos VLF ya se utilizan bajo el agua en comunicaciones submarinas. Pero no hay suficiente capacidad de almacenamiento de datos para audio o video, solo textos unidireccionales. Los submarinos también deben remolcar cables de antena voluminosos, disminuir la velocidad y elevarse a la profundidad del periscopio (18 metros) para comunicarse.

«Los grandes problemas con las comunicaciones de muy baja frecuencia, incluida la radio magnética, son la deficiente sensibilidad del receptor y el ancho de banda extremadamente limitado de los transmisores y receptores existentes. Esto significa que la velocidad de datos es mínima», dijo el líder del proyecto en el NIST, Dave Howe.

«La mejor sensibilidad de campo magnético se obtiene utilizando sensores cuánticos. La mayor sensibilidad conduce en principio a un rango de comunicaciones más largo. El enfoque cuántico también ofrece la posibilidad de obtener comunicaciones de gran ancho de banda como lo ha hecho un teléfono celular. Necesitamos ancho de banda para comunicarse con audio bajo el agua y en otros entornos prohibitivos», dijo.

Como paso hacia ese objetivo, los investigadores del NIST demostraron la detección de señales magnéticas moduladas digitalmente, es decir, mensajes que consisten en bits digitales 0 y 1, mediante un sensor de campo magnético que depende de las propiedades cuánticas de los átomos de rubidio. La técnica del NIST varía los campos magnéticos para modular o controlar la frecuencia -específicamente, las posiciones horizontal y vertical de la forma de onda de la señal- producida por los átomos.

«Los átomos ofrecen una respuesta muy rápida y una sensibilidad muy alta», dijo Howe. «Las comunicaciones clásicas implican una compensación entre el ancho de banda y la sensibilidad. Ahora podemos obtener ambas con sensores cuánticos».

Tradicionalmente, tales magnetómetros atómicos se usan para medir campos magnéticos naturales, pero en este proyecto del NIST, se están utilizando para recibir señales de comunicaciones codificadas. En el futuro, el equipo de NIST planea desarrollar transmisores mejorados. Los investigadores han publicado sus resultados en la Review of Scientific Instruments.

El método cuántico es más sensible que la tecnología de sensor magnético convencional y podría utilizarse para comunicarse, dijo Howe. Los investigadores también demostraron una técnica de procesamiento de señal para reducir el ruido magnético ambiental, como la red de energía eléctrica, que de otro modo limita el rango de comunicaciones. Esto significa que los receptores pueden detectar señales más débiles o aumentar el alcance de la señal, dijo Howe.

Para estos estudios, el NIST desarrolló un magnetómetro de corriente continua (CC) en el que se utiliza la luz polarizada como detector para medir el «giro» de los átomos de rubidio inducidos por campos magnéticos. Los átomos están en un pequeño recipiente de vidrio. Los cambios en la velocidad de rotación de los átomos corresponden a una oscilación en los campos magnéticos de CC, creando señales electrónicas de corriente alterna (CA) o voltajes en el detector de luz, que son más útiles para las comunicaciones.

Dichos magnetómetros «bombeados ópticamente», además de una alta sensibilidad, ofrecen ventajas tales como la operación a temperatura ambiente, tamaño pequeño, baja potencia y costo, e interferencia reducida. Un sensor de este tipo no se desplazaría ni requeriría calibración. EP