Μια δέσμη λέιζερ που διέσχισε την πανεπιστημιούπολη του Πανεπιστημίου Wits στη Νότια Αφρική ενδέχεται να δίνει λύση σε ένα από τα παλαιότερα προβλήματα των τηλεπικοινωνιών: πώς μπορούν να μεταδοθούν οπτικά δεδομένα μέσα από την ατμόσφαιρα χωρίς να παραμορφώνονται από τις συνεχείς μεταβολές του αέρα.
Ερευνητές από το Πανεπιστήμιο Wits και το Πανεπιστήμιο του Μπορντό στη Γαλλία παρουσίασαν μια μέθοδο μετάδοσης δεδομένων μέσω ελεύθερου χώρου, χωρίς την ανάγκη περίπλοκων συστημάτων που διορθώνουν σε πραγματικό χρόνο τις ατμοσφαιρικές παραμορφώσεις, αναφέρει το Interesting Engineering.
Γιατί είναι δύσκολη η μετάδοση
Η μετάδοση φωτός μέσα από τον αέρα αποτελεί διαχρονικά πρόκληση. Θερμές και ψυχρές αέριες μάζες μεταβάλλουν διαρκώς τον τρόπο με τον οποίο διαδίδεται μια φωτεινή δέσμη, προκαλώντας στρεβλώσεις και αλλοιώσεις στο σήμα. Για να αντιμετωπιστεί το πρόβλημα, τα συστήματα οπτικών επικοινωνιών βασίζονται συχνά σε μεγάλη υπολογιστική ισχύ και σε ακριβά προσαρμοστικά οπτικά συστήματα.
Το νέο πείραμα, ωστόσο, έδειξε ότι υπάρχει ένας διαφορετικός δρόμος: αντί να διορθώνεται η παραμόρφωση, τα δεδομένα μπορούν να κωδικοποιηθούν με τρόπο που να παραμένουν αναλλοίωτα παρά τη στρέβλωση του φωτός.
Το κλειδί βρίσκεται στην τοπολογία, έναν κλάδο των μαθηματικών που μελετά ιδιότητες οι οποίες παραμένουν ίδιες ακόμη και όταν ένα αντικείμενο παραμορφώνεται.
Ο καθηγητής Αντριου Φορμπς, επικεφαλής του Εργαστηρίου Δομημένου Φωτός στη Σχολή Φυσικής του Πανεπιστημίου Wits, χρησιμοποιεί για να εξηγήσει την ιδέα το παράδειγμα μιας κούπας καφέ και ενός ντόνατ. Παρότι έχουν εντελώς διαφορετικό σχήμα, και τα δύο διαθέτουν μία οπή. Μπορούν θεωρητικά να τεντωθούν ή να παραμορφωθούν χωρίς να αλλάξει αυτό το βασικό χαρακτηριστικό. Κάτι ανάλογο συμβαίνει και με τη δέσμη φωτός: το σχήμα της μπορεί να αλλοιωθεί έντονα, αλλά η τοπολογική πληροφορία που μεταφέρει να παραμείνει ίδια.
Κωδικοποίηση σε σκυρμιόνια
Οι ερευνητές κωδικοποίησαν πληροφορίες σε ιδιαίτερες, σωματιδιοειδείς δομές φωτός που ονομάζονται σκυρμιόνια. Έτσι, τα δεδομένα δεν εξαρτώνται αποκλειστικά από χαρακτηριστικά όπως η ένταση ή το χρώμα του φωτός, αλλά ενσωματώνονται στην τοπολογική δομή της δέσμης.
Για να δοκιμάσει τη μέθοδο σε πραγματικές συνθήκες, η ομάδα έστειλε δέσμες λέιζερ με κωδικοποιημένα σκυρμιόνια σε απόσταση 270 μέτρων μεταξύ δύο κτιρίων της πανεπιστημιούπολης Wits West στο Γιοχάνεσμπουργκ. Η δέσμη εκτέθηκε σε θερμότητα, άνεμο και διαφορετικές εντάσεις ατμοσφαιρικής αναταραχής.
Όταν έφτασε στον δέκτη, το οπτικό της σχήμα είχε παραμορφωθεί σημαντικά. Η τοπολογική πληροφορία, όμως, είχε παραμείνει σχεδόν ανέπαφη. Στις περισσότερες συνθήκες, η πιστότητα μετάδοσης ξεπέρασε το 98%, ενώ ακόμη και σε ακραία αναταραχή περιορίστηκε στο 86%.
Πιθανές εφαρμογές
Η εξέλιξη μπορεί να αποδειχθεί ιδιαίτερα σημαντική για τις επικοινωνίες ελεύθερου χώρου. Σε αντίθεση με τις οπτικές ίνες, όπου το φως προστατεύεται από εξωτερικές διαταραχές, οι ασύρματες οπτικές συνδέσεις παραμένουν εκτεθειμένες στην ατμόσφαιρα και μέχρι σήμερα απαιτούν συνεχή διόρθωση του σήματος.
Αν η νέα τεχνική μπορέσει να εφαρμοστεί σε μεγαλύτερη κλίμακα, θα μπορούσε να μειώσει τις ενεργειακές και υπολογιστικές απαιτήσεις των οπτικών δικτύων. Πιθανές εφαρμογές περιλαμβάνουν αποστολές στο βαθύ Διάστημα, δορυφορικές επικοινωνίες υψηλής ταχύτητας και κβαντική κρυπτογραφία. Στη Γη, θα μπορούσε επίσης να προσφέρει γρήγορο Διαδίκτυο σε απομακρυσμένες περιοχές χωρίς την ανάγκη εγκατάστασης εκτεταμένων δικτύων οπτικών ινών.
Τα ευρήματα δημοσιεύθηκαν στο επιστημονικό περιοδικό Science Advances.