Первый в мире эксперимент: передача данных в световом пучке без потерь

Лазерный луч, направленный через кампус университета, возможно, решил одну из старейших проблем телекоммуникаций. Учёные Университета Витса (ЮАР) и Университета Бордо (Франция) впервые продемонстрировали метод передачи оптических данных по открытом воздуху без применения сложных систем коррекции атмосферных искажений.

Передача информации по открытом воздуху традиционно сопряжена с высокой степенью неопределённости. Атмосфера Земли представляет собой хаотичную среду: завихрения тёплого и холодного воздуха искривляют, рассеивают и дезорганизуют световые сигналы, требуя для восстановления данных значительных вычислительных ресурсов и дорогостоящей адаптивной оптики.

В новом эксперименте исследователи показали, что атмосферные искажения можно игнорировать полностью. Команда успешно передала данные по турбулентной воздушной среде, сохранив их целостность без каких-либо потерь. Ключевым фактором оказалась топология света.

«Мы создаём и передаём эти частицеподобные топологические структуры света по свободной оптической линии связи протяжённостью 270 метров, демонстрируя их устойчивость в широком диапазоне условий и при различных уровнях турбулентности», — отмечено в исследовании.

Топологическая устойчивость: аналогия с кофейной кружкой

Топология — раздел математики, изучающий свойства объектов, сохраняющиеся при непрерывных деформациях: растяжении, скручивании или сжатии.

«Чтобы объяснить её преимущества, можно провести аналогию с тем, как кофейную кружку можно преобразовать в бублик», — пояснил профессор Эндрю Форбс, руководитель Лаборатории структурированного света Школы физики Университета Витса.

«Несмотря на принципиально разные формы, у обоих объектов есть одна общая топологическая характеристика — единственное отверстие. Его невозможно устранить, растягивая или деформируя объект. Аналогично, даже сильно искажённый световой пучок сохраняет неизменным своё топологическое содержание», — добавил Форбс.

Учёные применили этот принцип к свету, закодировав информацию в экзотических частицеподобных магнитных структурах — скайрмионах. Такое кодирование присваивает данным «невидимую броню», основанную не на яркости или цвете света, а на его топологическом профиле.

Для проверки концепции лазерные пучки, кодированные скайрмионами, были направлены на расстояние в сотни метров между двумя зданиями на западном кампусе Университета Витса в Йоханнесбурге. Свет прошёл через реальные атмосферные возмущения: тепловые потоки, ветер и шум.

При достижении приёмника форма светового пучка оказалась полностью искажённой. Однако топологическая информация, заложенная в сигнале, сохранилась без малейших изменений.

В результате передача данных по открытому воздуху обеспечила точность выше 98 % в большинстве условий и не опустилась ниже 86 % даже при экстремальной турбулентности.

Применение в космических миссиях и наземной инфраструктуре

Оптоволоконные кабели защищают световые сигналы, экранируя их от внешних воздействий, сохраняя цвет, интенсивность и поляризацию. В отличие от этого, неограниченная передача света по открытом воздуху делает эти параметры крайне уязвимыми к атмосферным возмущениям.

До сих пор системы оптической связи по свободному пространству (FSO) требовали постоянной, в реальном времени, перестройки сигнала: приёмники измеряли искажения и активировали динамические аппаратные коррекции, чтобы восстановить чистый сигнал.

Новый подход позволяет обойтись без этих операций: топология сигнала остаётся неизменной даже в условиях хаоса, поэтому приёмник считывает закодированную информацию напрямую, без предварительной «очистки» пучка.

Масштабирование технологии способно радикально снизить энергопотребление и вычислительные требования для дальнодействующих оптических сетей. Особенно перспективно её применение в глубококосмических миссиях, высокоскоростных спутниковых каналах передачи данных и квантовой криптографии.

На Земле технология может стать инструментом преодоления цифрового неравенства: она позволяет организовать высокоскоростной интернет для удалённых и изолированных регионов без прокладки дорогостоящих оптоволоконных линий — путём прямой беспроводной передачи сигнала через атмосферу.

Результаты исследования опубликованы в журнале Science Advances.