Frequentieconversie: signalen verschuiven van de ene naar de andere frequentie
Frequentieconversie is het omzetten van een signaal van de ene frequentie naar de andere, zonder dat de informatie die het signaal draagt verloren gaat. Denk aan het vertalen van een boek naar een andere taal: de zinnen veranderen van vorm, maar het verhaal blijft hetzelfde. Bij frequentieconversie verandert de "golfsnelheid" van een signaal (de frequentie), terwijl de data, het geluid of de meetwaarde die erin verstopt zit intact blijft.
Een alledaags voorbeeld: je telefoon verwerkt data intern op relatief lage frequenties, maar moet die data via de antenne versturen op de hoge frequentie die het mobiele netwerk gebruikt. Ergens in de chip van je telefoon zit een schakeling die dat verschil overbrugt. Diezelfde basisgedachte duikt op in satellietschotels, radars en, de laatste jaren, in laboratoria waar onderzoekers werken aan een kwantuminternet.
Wat is het precies?
De kern van klassieke frequentieconversie is een onderdeel dat een mixer heet. Een mixer combineert het inkomende signaal met een tweede, hulp-signaal dat een lokale oscillator (LO) wordt genoemd: een stabiele bron die zelf een vaste frequentie genereert. Wanneer je twee signalen met verschillende frequenties door elkaar mengt, ontstaan er twee nieuwe frequenties: de som van beide frequenties en het verschil ertussen.
Een filter selecteert vervolgens welke van die twee nieuwe frequenties je wilt houden en onderdrukt de rest. Wil je een signaal naar een hogere frequentie verplaatsen, dan spreekt men van up-conversie; wil je het juist naar een lagere, makkelijker te verwerken frequentie brengen, dan heet dat down-conversie. Vrijwel elke radio-ontvanger sinds het begin van de twintigste eeuw werkt volgens dit zogeheten superheterodyne-principe, bedacht door de Amerikaanse ingenieur Edwin Armstrong: het signaal wordt eerst omlaag geconverteerd naar een vaste, handelbare tussenfrequentie, waarna filtering en versterking veel eenvoudiger worden.
Er bestaat ook een heel andere, veel jongere vorm van frequentieconversie: kwantumfrequentieconversie. Hierbij wordt niet een radiosignaal, maar de golflengte van individuele lichtdeeltjes (fotonen) omgezet, met behulp van speciale niet-lineaire kristallen en een sterke "pomplaser". Het bijzondere is dat de kwantumtoestand van het foton — bijvoorbeeld verstrengeling met een ander deeltje — behouden moet blijven tijdens die omzetting. Dat maakt deze vorm van conversie technisch veel lastiger dan het mengen van gewone radiosignalen.
Wat wil men ermee bereiken?
In de klassieke telecom- en radiowereld draait frequentieconversie vooral om praktische compatibiliteit. Verschillende toepassingen hebben nu eenmaal verschillende frequentiebanden nodig: lage frequenties dringen beter door muren, hoge frequenties bieden meer capaciteit maar reiken minder ver, en internationale afspraken verdelen het beschikbare spectrum tussen radio, tv, satellieten, wifi en mobiele netwerken. Frequentieconversie maakt het mogelijk om apparatuur te bouwen die intern op één handige frequentie werkt, terwijl de uitzending of ontvangst op een heel andere, voorgeschreven frequentie gebeurt.
Bij satellietcommunicatie speelt bovendien afstand een rol: signalen die van en naar een satelliet reizen, worden vaak op een andere frequentie teruggestuurd dan waarop ze zijn ontvangen, onder meer om te voorkomen dat het uitgezonden signaal het zwakke inkomende signaal overstemt.
Bij kwantumfrequentieconversie is de doelstelling anders: kwantumgeheugens en -bewerkingen gebeuren vaak het efficiëntst bij golflengtes die niet overeenkomen met de golflengte waarop licht het minst verlies ondervindt in glasvezel (rond 1550 nanometer, de standaard telecomgolflengte). Door de golflengte van een foton om te zetten naar dat telecomvenster, kunnen onderzoekers in principe bestaande glasvezelinfrastructuur gebruiken om kwantuminformatie over grotere afstanden te vervoeren — een belangrijke bouwsteen voor een toekomstig kwantuminternet.
Voorbeelden uit de praktijk
Enkele concrete toepassingen illustreren hoe breed het begrip wordt gebruikt:
- Satellietgrondstations gebruiken al decennia zogeheten Block Upconverters en Low Noise Block downconverters (BUC/LNB) om signalen tussen basisband en de Ku- of Ka-band om te zetten. Deze techniek is volwassen en wordt breed toegepast door satellietoperators en ruimtevaartorganisaties zoals ESA.
- 5G-telefoons en -basisstations die gebruikmaken van de hogere millimetergolf-banden (rond 28 en 39 GHz) bevatten RF-frontend-chips, onder meer van fabrikanten als Qorvo, Analog Devices, Skyworks en Qualcomm, die basisbandsignalen omhoog converteren naar deze hoge frequenties en omgekeerd.
- QuTech, het onderzoeksinstituut van de TU Delft en TNO, experimenteert sinds het begin van de jaren 2020 met het omzetten van fotonen die worden uitgezonden door zogeheten NV-centra in diamant (rond 637 nanometer) naar telecomgolflengte, zodat deze via bestaande glasvezelverbindingen tussen Nederlandse steden kunnen reizen ten behoeve van kwantumnetwerk-experimenten.
- De Quantum Internet Alliance, een Europees onderzoeksconsortium dat mede vanuit Delft wordt gecoördineerd, werkt met een gefaseerde routekaart aan de bouwstenen voor een kwantuminternet, waarin frequentieconversie tussen kwantumgeheugens en telecomlicht een terugkerend onderwerp is.
- Onderzoeksgroepen zoals die van Stanford University en instituten in Genève hebben al langer ervaring met niet-lineaire optische frequentieconversie met behulp van speciaal bewerkte kristallen (zogeheten periodiek gepoolde materialen), oorspronkelijk ontwikkeld voor klassieke laseroptica en later toegepast op kwantumlicht.
Hoe ver is de techniek?
Klassieke, radiofrequente frequentieconversie is een volwassen, decennia oude techniek die in vrijwel elk elektronisch communicatieapparaat zit. De uitdagingen liggen tegenwoordig vooral aan de bovenkant van het spectrum: bij de zeer hoge frequenties die worden onderzocht voor toekomstige 6G-netwerken en bij terahertz-toepassingen nemen signaalverliezen en energieverbruik toe, wat conversie lastiger en minder efficiënt maakt.
Kwantumfrequentieconversie staat aanzienlijk minder ver. De techniek werkt aantoonbaar in laboratoriumopstellingen, maar kampt met twee hardnekkige problemen: de conversie-efficiëntie (hoeveel fotonen daadwerkelijk succesvol worden omgezet) is nog beperkt, en het proces kan ongewenste ruis toevoegen die de kwantumeigenschappen van het licht verstoort. Onderzoekers zijn er tot dusver in geslaagd om kleinschalige netwerken met enkele knooppunten te demonstreren, maar een praktisch bruikbaar, foutbestendig kwantuminternet wordt over het algemeen pas op de langere termijn verwacht, mogelijk richting het volgende decennium. Harde jaartallen zijn hierbij met de nodige onzekerheid omgeven, omdat de voortgang sterk afhangt van doorbraken die nog niet zijn gerealiseerd.
Wie werken eraan?
Op het klassieke, radiofrequente vlak zijn chipfabrikanten als Qorvo, Analog Devices, Skyworks en Qualcomm belangrijke spelers, naast satellietpartijen als ESA, Eutelsat en SES. Ook nationale telecomtoezichthouders en de Internationale Telecommunicatie Unie (ITU) spelen een rol, omdat zij bepalen welke frequentiebanden waarvoor gebruikt mogen worden — een randvoorwaarde waar frequentieconversie juist een antwoord op is.
Op het gebied van kwantumfrequentieconversie is Nederland, via QuTech (TU Delft en TNO), internationaal een van de zichtbare spelers, mede dankzij de rol in de Europese Quantum Internet Alliance. Daarnaast doen instituten zoals het Max Planck Institute of Quantum Optics in Duitsland, onderzoeksgroepen in Genève en Innsbruck, en Amerikaanse instellingen als Stanford University en het National Institute of Standards and Technology (NIST) onderzoek naar dit onderwerp. Het blijft vooralsnog vooral academisch en door publieke onderzoeksfinanciering gedreven werk, met slechts beperkte betrokkenheid van grote commerciële partijen.