Naukowcy z RPA i Francji skonstruowali system, który zapisuje informacje w topologii światła, a następnie przesyłają je za pośrednictwem 270-metrowego łącza laserowego na kampusie w Johannesburgu. Mimo że atmosfera w znaczący sposób deformowała wiązkę, dane udało się odzyskać z ponad 98-procentową dokładnością w większości warunków, bez stosowania optyki adaptacyjnej czy mechanizmu rozpoznawania odkształceń. To ważny krok w kierunku bezprzewodowych łącz optycznych!
Tradycyjny światłowód działa w ten sposób, że światło poruszające się wewnątrz jest chronione przed większością wpływów środowiskowych. W przypadku rozwijanych technologii „bezprzewodowej” łączności optycznej, wiązka światła napotyka na różne warstwy powietrza o zmiennej temperaturze i ciśnieniu, które zakłócają jej amplitudę, fazę i polaryzację. Zwykle stosuje się do korekcji optykę adaptacyjną, pomiary kanału lub złożone obliczenia po stronie odbiorcy. Jednak zespół z Wits University i Uniwersytetu w Bordeaux znalazł skuteczne rozwiązanie tego problemu: zamiast chronić parametry światła, które mogłyby zostać zmienione, zapisali informacje w cechach odpornych na te odkształcenia.
Jak ukryć informację w świetle, aby przetrwała „podróż”?
Topologia, w skrócie, to własności obiektów, które nie ulegają zmianie podczas ich rozciągania, skręcania lub zgniatania. Na przykład: topologicznie kubek z jednym uchem i pierścionek można przypisać do tej samej klasy obiektów, ponieważ mają one jeden otwór w swojej strukturze. Dopóki materiał nie zostanie przerwany i otwór nie zniknie ani nie powstanie nowy, ta cecha pozostaje dla nich identyczna. Właśnie to podejście zostało przekształcone w przestrzenny rozkład polaryzacji wiązki światła.
Nośnikiem informacji stały się skyrmiony: specjalnie uformowane wektorowe pola światła o cząstkopodobnej topologii. Nie należy ich postrzegać jako materialne cząsteczki poruszające się między budynkami; są to określone rozkłady polaryzacji w przekroju wiązki. Ich topologię opisuje całkowita liczba skyrmionowa N, która określa, ile razy rozkład stanów polaryzacji „owija” sferę Poincarégo, matematyczną reprezentację możliwych polaryzacji. Mimo że lokalny obraz światła może zostać całkowicie zniekształcony przez atmosferę, liczba N pozostaje możliwa do odczytania. Właśnie w tym miejscu można zapisać informacje, które dotrą do końca swojej podróży.
270 metrów to niewiele, ale…
W eksperymencie opisanym w „Science Advances” wykorzystano zielony laser o długości fali 532 nm. Modulator przestrzenny oraz zmodyfikowany interferometr Macha-Zehndera generowały skyrmiony o liczbach N równych 1, 2 i 3. Wiązka przebyła około 135 m do lustra na dachu drugiego budynku, a następnie wróciła do laboratorium, pokonując łącznie 270 m. Pomiary przeprowadzono rano, w południe i późnym popołudniem, co oznacza, że tor „lotu” obejmował różne warunki, od spokojnego powietrza po silne turbulencje wywołane jego nagrzewaniem. Układ nie był dostrajany do bieżących warunków atmosferycznych, a po transmisji nie stosowano żadnych korekcji.
Podczas odbioru, kamera polaryzacyjna rejestrowała sześć projekcji polaryzacji, które posłużyły do rekonstrukcji parametrów Stokesa oraz liczby skyrmionowej. W ramach testu naukowcy zakodowali trójkolorowy obraz mapy Republiki Południowej Afryki o rozdzielczości 512 na 560 pikseli, przypisując każdemu z kolorów inną wartość w postaci liczby N. Każdy piksel odpowiadał stanowi transmitowanemu i mierzono go przez 2 ms. Wierność odtworzenia „na wejściu” wyniosła 98,70% rano i 98,60% po południu, a podczas najsilniejszych turbulencji powietrza w południe spadła do 86,93%. Topologia pozostawała stabilna również wówczas, gdy stopień polaryzacji wiązki spadł z około 0,84 do 0,39 w wyniku uśrednienia zmiennego kanału.
To jeszcze nie jest łącze zdolne do przesyłania Internetu. Ale jesteśmy już blisko łącz optycznych „bez kabla”
Nikt tutaj nie koryguje wiązki ani nie stara się jej odzyskać: mimo to udało się nam rozpoznać dane, mimo że atmosfera je zdeformowała. Według naukowców, to osiągnięcie może pomóc w ograniczeniu zapotrzebowania na skomplikowaną optykę adaptacyjną i obliczenia niezbędne do kompensacji warunków środowiskowych.
Naukowcy wskazują na różnorodne zastosowania tej technologii, w tym łącza satelitarne, komunikację z misjami kosmicznymi, naziemne połączenia w miejscach bez światłowodów, a także komunikację w sytuacjach kryzysowych. Obecnie posiadamy dowód na wysoką odporność w warunkach laboratoryjnych, ale to jeszcze nie moment, aby ogłosić gotowość koncepcji do wdrożenia. Topologia stanowi obiecujące rozwiązanie dla wyzwań, przed którymi stoją tradycyjne łącza optyczne, ale technologia ta wymaga dalszego ustandaryzowania i usystematyzowania, aby mogła skutecznie przesyłać duże zbiory danych.
Wszystko przez inne ograniczenia, które występują w tej technologii. Odbiornik nadal wymaga kamery polaryzacyjnej, a obliczenie liczby N wymaga cyfrowego przetwarzania; brakuje również wyspecjalizowanego detektora topologicznego. Co więcej, wskaźnik wierności opisuje poprawność rekonstrukcji obrazu dla zaledwie trzech ustalonych symboli, co nie odnosi się do przepustowości łącza ani do odsetka błędów w ciągłym strumieniu danych, ponieważ takie testy jeszcze nie były przeprowadzone.
Czytaj również: To może być układ na miarę świetlanej przyszłości. Nauka trzyma kciuki za jego sukces
Nie można również porównywać odporności różnych liczb N, ponieważ odpowiadające im wiązki miały różne rozmiary i różne reakcje na zmiany środowiskowe. Kolejne testy muszą sprawdzić większe odległości, obejmować szybsze kodowanie i odbiór oraz integrować technologię z obecnie stosowanymi protokołami komunikacyjnymi. Dopiero wtedy będzie wiadomo, czy topologia takiego światła ma szansę na rozwój technologii komunikacyjnych, które zaspokoją nasze potrzeby w nadchodzących czasie. A chyba każdy z nas sobie tego życzy.