Учёные нашли способ защитить оптические данные от атмосферных искажений
Учёные из Университета Витватерсранда в Южной Африке и Университета Бордо во Франции впервые продемонстрировали способ передачи оптических данных через открытое воздушное пространство без сложных систем коррекции атмосферных искажений. В ходе эксперимента лазерный луч передал информацию через турбулентную среду, сохранив закодированные данные даже при сильном изменении формы самого светового пучка.
Передача данных с помощью света через атмосферу остаётся сложной задачей из-за постоянных изменений температуры, потоков воздуха и других факторов. Тёплые и холодные воздушные массы искривляют, рассеивают и перемешивают световые сигналы, из-за чего системам оптической связи обычно требуются вычислительные мощности и адаптивная оптика для компенсации возникающих искажений.
Новый подход основан на принципах топологии — раздела математики, изучающего свойства объектов, которые сохраняются при растяжении, скручивании или деформации. Руководитель лаборатории структурированного света Школы физики Университета Витватерсранда профессор Эндрю Форбс сравнил этот принцип с чашкой и бубликом: несмотря на разную форму, оба объекта имеют одно отверстие, и это свойство сохраняется при деформации.
Исследователи применили этот принцип к свету, кодируя информацию в его топологической структуре. Для этого использовались экзотические магнитоподобные структуры света, напоминающие частицы и известные как скирмионы. Вместо кодирования данных только в яркости, цвете или других традиционных характеристиках луча информация записывалась в его топологический профиль.
Чтобы проверить технологию в реальных условиях, учёные передавали лазерные лучи со скирмионным кодированием между двумя зданиями кампуса Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге. Оптический сигнал прошёл по открытому воздушному каналу длиной 270 метров, подвергаясь воздействию ветра, температурных перепадов и атмосферной турбулентности различной силы.
Когда луч достиг приёмника, его первоначальная форма оказалась сильно искажена. Однако топологическая структура, в которой была закодирована информация, сохранилась. В большинстве условий точность передачи данных превышала 98%, а даже при экстремальной турбулентности снижалась лишь до 86%.
Обычно системы оптической связи в свободном пространстве должны постоянно измерять атмосферные искажения и компенсировать их в режиме реального времени. Для этого используются сложные вычисления и специальное оборудование, которое корректирует деформированный сигнал перед считыванием данных. В новом эксперименте необходимость предварительно восстанавливать форму светового луча была устранена, поскольку приёмник мог напрямую считывать информацию из сохранившейся топологической структуры.
Оптическое волокно защищает световой сигнал от внешних воздействий, изолируя его основные характеристики от окружающей среды. При передаче света через открытое пространство такой защиты нет, поэтому атмосферная турбулентность особенно опасна для обычных оптических каналов связи. Использование топологического кодирования может изменить этот подход, сделав саму информацию более устойчивой к деформациям светового луча.
Если технологию удастся масштабировать, отказ от тяжёлых систем коррекции может снизить энергопотребление и вычислительные требования для оптических сетей на больших расстояниях. Разработка также может найти применение в космических миссиях, высокоскоростной спутниковой связи и квантовой криптографии.
Технология потенциально может использоваться и для обеспечения высокоскоростным интернетом удалённых и сельских районов без необходимости прокладывать большие расстояния дорогостоящего оптоволоконного кабеля. Для этого данные можно будет передавать напрямую через атмосферу с помощью лазерных систем.
Следующим этапом станет дальнейшая проверка технологии в различных условиях и изучение возможностей её масштабирования для практических систем связи. Эксперимент показал, что даже сильно деформированный атмосферой световой луч может сохранять закодированную в его топологии информацию.
Исследование в журнале Science Advances.