navbar.frm 20180310 /navigation.nav
Bijeenkomst 18 april . . Ronde elke zondag 11:00 uur 145.475 MHz . . 10:30 RTTY bulletin . . 11:00 uur Woerdense Ronde . . Bijeenkomst 21 maart . .
W

Quantum Radio

In ons bulletin van 20 januari 2019 vertelden wij dat de quantum wereld reeds onder ons is. In dat artikel is echter het woord radio niet gevallen. Maar nu moeten we er toch aan geloven.

Elektromagnetische golven kunnen ook beschowd worden als een stroom van fotonen. Bij optische frequenties praten we meestal over fotoen stroom. En al we het over een zeer zwakke straling hebben, dan praten we liever over het aantal fotonen per seconde.

De energie van een enkele foton is zeer klein, een voorbeeld: Energie van een infra rood foton is 0,2 Joule met 18 nullen voor de komma Energie van een radio foton op 300 MHz is 0,2 Joule met 24 nullen voor de komma, in radio terminolgie meer dan 42 S-punten beneden S0 bij een detectie bandbreedte van 1 Hz. Extreem weinig dus.

Het detecteren van een enkele foton op radiofrequenties is dus zeer moeilijk vanwege de ruis. Bij lagere frequenties kan cryogene koeling de thermische ruis zeer laag maken, maar de zo genoemde quantum ruis - die ontstaat als men met pakketjes energie te maken heeft, is op hogere frequenties zeer moeilijk te onderdrukken.

Onderzoekers van de Technische Universiteit Delft hebben een detector gemaakt die de detectie van een enkele foton op radio frequenties mogelijk maakt. De chip is slechts 10 mm in het vierkant en het team is van plan om deze te gebruiken om de relatie tussen massa en zwaartekracht met de quantumtheorie te onderzoeken

De truc is dat een 173 MHz radiosignaal met behulp van een parametrische mixer op 1 Ghz gesampeld wordt. Die mixer is L-C kring waarin als niet-linear element een SQUID is opgenomen.

Een SQUID - Supergeleidend Quantum Interferentie Devices - is een Josephson-junction. Dat zijn twee supergeleidende elektroden gescheiden door een dunne barrière (van isolator of normaal metaal, halfgeleider, ferromagneet).

De SQUID is voor de radio amateur een 'varactor diode', een parametrische versterker : waar niet de spanning maar de impedantie van het device varieert met de variatie van het ingang signaal.

De impedantie van een SQUID kan door een zeer gering elektrisch of magnetisch veld zeer sterk veranderen.
Net als bij de ons bekende mixers ontstaan dan rond 1 GHz, de frequentie van de lokale oscillator, de pompfrequentie genoemd, zijbanden met de herhalingsfrequentie van het ingangs signaal, de fotonen. De pompenergie is veel groter dan de energie van het foton en daardoor is het vermogen in de zijbanden dan ordes groter dan van het ingangsignaal.

De detector van de TU Delft groep werkt alleeen op cryogene temperaturen en zal voor ons radio amateurs dus onbereikbaar zijn.
Als met de komst van hoge temperatuur supergeleiding die extremw koeling niet meer nodig is, dan nog is het de vraag of de radio amateur en dan mee geconfronteerd wordt. Helaas is de de 'man-made' ruis momenteel zo groot geworden, dat onze aandacht niet meer uitgaat naar onvangers met lage thermische ruis, maar naar goed groot signaal gedrag. Software moet nu de gewenste signalen uit de storing distilleren.

Het detecteren van zwakke radiofrequentie elektromagnetische velden speelt een cruciale rol in een breed scala van wetenschap en techniek, van radioastronomie tot nucleaire magnetische resonantie beeldvorming, enz.
Bij deze toepassingen worden man-made storingen of sterk onderdrukt door zware EM afscherming, en of zijn afwezig, bijvoorbeeld bij toepassingen in de ruimte of op extreem afgelegen plekken op aarde, Als voorbeeld, het zoeken naar het axion deeltje, waarover wij in ons bulletin van 24 februari 2019 rapporteerden.

(Pieter, PA0PHB 2019/03/24 )

Referenties, meer informatie:
TUDelft (Proefschrift Heeres 2012)
Onderwerpen
StoringStoring NatuurkundeNatuurkunde ComponentComponent