Впервые данные передали по воздуху лазером без предыскажений — и без ошибок
В Йоханнесбурге передали лазером по воздуху данные без оптических предыскажений с точностью до 98–99%. Эксперимент, с результатами которого можно ознакомиться в журнале Science Advances, стал первым в мире, проведенным в реальных городских условиях, а не в лаборатории.
Чтобы передать информацию светом, ее можно закодировать разными способами — цветом, яркостью, поляризацией. Но независимо от этого качество связи сильно зависит от среды — открытый воздух, в отличие от оптоволокна, отличается турбулентностью, вызванной перепадами температуры и давления.
Физики из Витватерсрандского университета пошли другим путем: они кодируют данные в топологии — математическом понятии, описывающем свойства, которые сохраняются даже при растяжении или деформации объекта.
«Чтобы объяснить преимущества этого подхода, можно провести аналогию с кофейной кружкой, которую можно превратить в бублик. Несмотря на совершенно разную форму, у обоих предметов одно отверстие. Можно растягивать или деформировать их, но это фундаментальное свойство останется неизменным. Точно так же световой луч может сильно исказиться, но его топологическая информация сохранится», — объясняет профессор Эндрю Форбс, руководитель лаборатории структурированного света в Витсе.
Экспериментаторы закодировали данные в скирмионах — световых узорах, в которых направление поляризации плавно закручивается вокруг центра, и число этих закруток остается неизменным, независимо от искажений в атмосфере. Передавали карту ЮАР между двумя корпусами университета на расстояние 270 метров.
Опыты проводили весь день. Большую часть времени верность передачи данных доходила до 98–99%; после полудня, когда воздух нагрелся и стал особенно турбулентным, показатель снизился до 87%.
«Ранее небольшие лабораторные эксперименты уже показали, что топология может стать надежным способом передачи данных. А мы впервые продемонстрировали эту устойчивость в реальной оптической линии и реальных атмосферных условиях», — говорит ведущий автор Кейд Питерс.
Обычные системы свободно-оптической связи часто вынуждены измерять атмосферные искажения, а затем компенсировать их с помощью специализированного оборудования и сложных расчетов. Новый подход позволяет обходиться без предыскажений и сложной оптики.
«Мы показали, что топология — это во многом еще не использованный ресурс, который может стать основой для следующего поколения оптических коммуникаций», — подчеркивает инженер-электротехник Митчел Кокс из лаборатории оптической в Витсе.
Исследователи также рассмотрели применение своего подхода как в классической, так и в квантовой связи — там, где сохранность информации особенно важна.
