Dataoverførsel ved kontrolleret støj

Inden for informationsteknologi, multipleksing-skemaer bruges til at transmittere flere signaler end antallet af tilgængelige transmissionskanaler. Forskere ved ETH i Zürich har opfundet en ny metode, hvorved information kodes i den korrelerede støj mellem rumligt adskilte lysbølger.

For at sende så mange oplysninger som muligt fra A til B på samme tid, videnskabsmænd og ingeniører har udviklet stadig mere sofistikerede teknikker i løbet af de sidste årtier. Disse teknikker, almindeligvis kendt som multipleksing, tillade en at transmittere flere signaler end antallet af tilgængelige transmissionskanaler. Et typisk eksempel herpå er radioudsendelser på forskellige frekvenser. Forskere ved ETH i Zürich har nu opfundet en ny multipleksingsteknik, der er baseret på støj - noget, man typisk forsøger at undgå.

Korrelationer i dobbeltspalten

Shawn Divitt, der tog initiativ til udviklingen af ​​den nye teknologi for to år siden, da han arbejdede som ph.d. studerende i professor Lukas Novotnys forskningsgruppe, var næsten færdig med sin afhandling, da han fik en idé. I et dobbeltspalteeksperiment – ​​en klassiker i fysikkens historie – havde han undersøgt, hvordan korrelationer mellem lysbølgerne i de to spalter skabes, og hvordan de påvirker interferensmønstret.

Korrelationer indikerer, hvor godt man kan forudsige, for eksempel, den ene lysbølges oscillerende fase, hvis man kender den anden bølges fase. Selvom begge faser er "støjende, "hvilket betyder, at deres værdier svinger, de kan stadig gøre det på en mere eller mindre synkroniseret måde. Hvis sammenhængene er stærke, et tydeligt synligt interferensmønster vises på en skærm bag spalterne i et dobbelt spalteeksperiment. Svage sammenhænge, på den anden side, få interferensmønsteret til at blive udvasket eller helt forsvinde.

"Idéen var at generalisere dette princip og bruge det til at kode information, " forklarer Divitt. Til det formål, han beregnede korrelationerne mellem flere rumligt adskilte lysbølger, der kan, for eksempel, transmitteres gennem en optisk fiber. "Det interessante er, at korrelationerne eksisterer mellem par af lysbølger, hvilket betyder, at antallet af disse korrelationer ikke stiger lineært med antallet af lysbølger, men nogenlunde kvadratisk, " siger Divitt.

I princippet, derfor, det burde være muligt at transmittere seks informationsbits ved hjælp af fire lysbølger, 28 bit ved hjælp af otte lysbølger, og så videre. Værdien "1" af en bit kan derefter repræsenteres af en positiv korrelation (synkroniseret støj), og værdien "0" med en negativ korrelation.

Fjernstyret eksperiment

På papiret fungerede denne type "korrelationskodning" perfekt. For at være sikker, imidlertid, at det også kunne realiseres i praksis, Divitt ønskede også at teste i et eksperiment. Der var et problem, dog:Divitt er amerikansk statsborger, og hans visum udløb mod slutningen af ​​hans doktorgrad. Så, han tog en ret usædvanlig tilgang. Inden han vendte tilbage til USA satte han et eksperiment op i Novotnys laboratorium, hvor kodningen af ​​information i et optisk fiberbundt simuleres ved hjælp af en såkaldt rumlig lysmodulator. Korrelationerne mellem lysbølgerne manipuleres og udlæses senere ved hjælp af et interferensmønster. Tilbage i USA, Divitt startede eksperimentet – med fjernbetjening fra sin computer. I mellemtiden, kolleger i Zürich sørgede for, at forsøgsopstillingen altid var i god stand.

Bagefter, Divitt analyserede resultaterne på sit "hjemmekontor" og fandt ud af, at hans metode faktisk virkede. Han og hans ph.d. rådgiver har siden indsendt en patentansøgning for det. "Selvfølgelig, at lave sådan forskning er noget usædvanligt, " kommenterer Novotny. "Desuden, det var kun muligt, fordi ETH giver folk den nødvendige frihed til at afprøve vilde ideer nu og da – om nødvendigt, selv langvejs fra."

Mulige sikkerhedsmæssige fordele

Divitt og Novotny håber, at på den ene side, deres metode vil kunne øge datakapaciteten af ​​fiberoptiske kabler endnu mere. Da deres metode ikke kræver sammenhængende laserlys, det burde også være billigere end konventionelle teknologier. På den anden side, korrelationskodning kunne også bidrage til datasikkerhed. Da lysbølgernes svingninger ikke kan registreres i "realtid" på grund af deres høje frekvens, en eventuel aflytning vil skulle aflede en betydelig del af den optiske effekt for at opnå et interferensmønster og dermed opsnappe informationen. At, på tur, vil straks blive bemærket, hvilket ville afsløre aflytteren.

Novotny har til hensigt at få en ny ph.d. studerende ombord og for yderligere at undersøge fordele og ulemper samt mulige anvendelser af korrelationskodning. Nu, Divitt bor i Washington, D.C., område med sin familie på fem, hvor han arbejder som forskningsfysiker. Han har gode minder fra sin tid i Zürich og fra sit fjernstyrede eksperiment. Som ung ph.d. studerende opnåede han den nødvendige arbejdsmoral til at gennemføre et sådant projekt. "Da jeg startede på ETH, vi havde allerede vores første søn, så jeg skulle være godt organiseret lige fra begyndelsen, " siger Divitt.