Дослідники з Університету Вітватерсранда в Південній Африці та Університету Бордо у Франції продемонстрували незвичайний спосіб передачі інформації лазером через відкрите повітря. Технологія може допомогти подолати одну з головних проблем оптичного зв’язку — спотворення світла атмосферою.
Повітряні потоки, різниця температур і вітер змінюють траєкторію світлового променя. Через це системам бездротового оптичного зв’язку доводиться постійно компенсувати викривлення за допомогою складної оптики та значних обчислювальних ресурсів.
Новий підхід пропонує фактично не виправляти спотворений промінь, а передавати інформацію таким способом, щоб вона залишалася доступною для зчитування навіть після проходження крізь турбулентну атмосферу.
Дані заховали в топології світла
Ключем до експерименту стала топологія — розділ математики, який вивчає властивості об’єктів, що не змінюються під час їх розтягування чи деформації. Один із простих прикладів — чашка та бублик. Їх можна дуже сильно деформувати, але в обох залишається одна наскрізна «дірка». Саме таку стійку властивість дослідники використали для передачі інформації світлом.
Дані закодували у спеціальних структурах світлового поля, відомих як скіpміони. На відміну від звичайної передачі інформації, де важливими можуть бути інтенсивність, колір або поляризація променя, тут інформація міститься у його топологічній структурі.
Для перевірки технології лазерні промені передавали на відстань 270 метрів між будівлями університетського кампусу в Йоганнесбурзі. Сигнал проходив через реальні атмосферні умови — вітер, нагріте повітря та температурні коливання.
Коли промінь досягав приймача, його форма могла бути сильно спотворена. Проте топологічна інформація всередині нього залишалася доступною для декодування. У більшості випробуваних умов точність передачі перевищувала 98%, а навіть за надзвичайно сильної турбулентності становила близько 86%.
Чому це може змінити оптичний зв’язок
Сучасні системи передачі лазерного сигналу через атмосферу зазвичай повинні визначати ступінь викривлення променя та оперативно його компенсувати. Це потребує складного обладнання, енергії та обчислень.
Якщо новий принцип вдасться масштабувати, частину цієї інфраструктури можна буде спростити. Приймачеві не обов’язково спочатку відновлювати початкову форму променя — він може одразу працювати з інформацією, яка зберігається в його топологічній структурі.
Потенційні застосування досить широкі. Технологія може стати корисною для супутникового лазерного зв’язку, передачі даних у космосі, високошвидкісних наземних оптичних мереж, а також для забезпечення інтернетом віддалених районів без прокладання довгих оптоволоконних ліній.
Особливо перспективним напрямком є далекі космічні місії, де лазерний зв’язок здатен передавати значно більше даних, ніж традиційні радіосистеми.
Втім, поки що йдеться про лабораторний експеримент на відносно невеликій відстані. Попереду — випробування технології на значно довших дистанціях і в складніших атмосферних умовах. Результати дослідження опубліковані в журналі Science Advances.