원자 기반 무선 센서, 신호 방향 감지로 더 깨끗한 통신 구현

연구자들이 들어오는 무선 신호의 방향을 결정할 수 있는 원자 기반 센서를 시연했습니다. 이는 기존 기술보다 더 작고 잡음 환경에서 더 잘 작동하는 잠재적 원자 통신 시스템의 또 다른 핵심 요소입니다.

신호의 '도착 각도(angle of arrival)'를 측정하는 능력은 레이더와 무선 통신의 정확성을 보장하는 데 도움이 됩니다. 이들은 실제 메시지와 이미지를 무작위 또는 의도적 간섭에서 걸러내야 합니다. 진정한 원자 기반 통신 시스템은 5G 및 그 이후 세대에 이득이 될 것입니다.

서로 다른 색상의 두 레이저가 미세한 유리 플라스크(셀) 속 기체 세슘 원자를 높은 에너지(리드버그) 상태로 준비시킵니다. 이 상태는 전자기장에 극도로 민감한 새로운 특성을 가집니다. 전기장 신호의 주파수는 원자가 흡수하는 빛의 색에 영향을 줍니다. 원자 기반 '믹서(mixer)'는 입력 신호를 받아 다른 주파수로 변환합니다. 한 신호는 기준 역할을 하고, 두 번째 신호는 변환되거나 더 낮은 주파수로 디튠(detune)됩니다. 레이저가 원자를 탐침해 두 신호 간 주파수와 위상 차이를 감지·측정합니다. 위상은 시간상 전자기파의 상대적 위치를 뜻합니다.

믹서는 원자 증기 셀 내 두 다른 위치에서 디튠된 신호의 위상을 측정합니다. 이 두 위치에서의 위상 차이를 바탕으로 신호의 도착 방향을 계산할 수 있습니다. 접근법을 입증하기 위해 팀은 19.18GHz 실험 신호의 위상 차이를 증기 셀 내 두 위치에서 다양한 도착 각도로 측정했습니다. 이 측정치를 시뮬레이션과 이론 모델과 비교해 새 방법을 검증했습니다.

원자 기반 센서는 일반적으로 측정값이 매우 정확하고 보편적이라는(원자가 동일하므로 어디서나 동일) 많은 잠재적 이점을 가집니다. 원자 기반 측정 표준에는 길이와 시간 표준이 포함됩니다.

추가 개발을 통해 원자 기반 무선 수신기는 기존 기술 대비 많은 이점을 제공할 수 있습니다. 예를 들어 신호를 다른 주파수로 변환해 전달하는 기존 전자회로가 필요 없습니다. 원자가 그 일을 자동으로 하기 때문입니다. 안테나와 수신기는 마이크로미터 규모로 물리적으로 더 작아질 수 있습니다. 또한 원자 기반 시스템은 특정 유형의 간섭과 잡음에 덜 취약할 수 있습니다.