Inom informationsteknik, multiplexeringsscheman används för att sända fler signaler än antalet tillgängliga överföringskanaler. Forskare vid ETH i Zürich har uppfunnit en ny metod där information kodas i det korrelerade bruset mellan rumsligt separerade ljusvågor.

För att skicka så mycket information som möjligt från A till B samtidigt, forskare och ingenjörer har utvecklat allt mer sofistikerade tekniker under de senaste decennierna. Dessa tekniker, allmänt känd som multiplexing, tillåta en att sända fler signaler än antalet tillgängliga överföringskanaler. Ett typiskt exempel på detta är radiosändningar på olika frekvenser. Forskare vid ETH i Zürich har nu uppfunnit en ny multiplexeringsteknik som är baserad på brus – något som man vanligtvis försöker undvika.

Korrelationer i dubbelslitsen

Shawn Divitt, som initierade utvecklingen av den nya tekniken för två år sedan när han arbetade som doktorand. student i professor Lukas Novotnys forskargrupp, hade nästan avslutat sin avhandling när han kom på en idé. I ett dubbelslitsexperiment – ​​en klassiker i fysikens historia – hade han undersökt hur korrelationer mellan ljusvågorna i de två slitsarna skapas och hur de påverkar interferensmönstret.

Korrelationer indikerar hur väl man kan förutsäga, till exempel, den oscillerande fasen för en ljusvåg om man känner till den andra vågens fas. Även om båda faserna är "bullriga, " vilket betyder att deras värderingar fluktuerar, de kan fortfarande göra det på ett mer eller mindre synkroniserat sätt. Om sambanden är starka, ett tydligt synligt interferensmönster uppträder på en skärm bakom slitsarna i ett dubbelslitsexperiment. Svaga korrelationer, å andra sidan, orsaka att interferensmönstret tvättas ur eller försvinner helt.

"Tanken var att generalisera den principen och använda den för att koda information, " förklarar Divitt. För detta ändamål, han beräknade korrelationerna mellan flera rumsligt separerade ljusvågor, som kan, till exempel, överföras genom en optisk fiber. "Det som är intressant är att korrelationerna finns mellan par av ljusvågor, vilket innebär att antalet av dessa korrelationer inte ökar linjärt med antalet ljusvågor, men ungefär kvadratiskt, säger Divitt.

I princip, därför, det borde vara möjligt att överföra sex informationsbitar med hjälp av fyra ljusvågor, 28 bitar med åtta ljusvågor, och så vidare. Värdet "1" av en bit kan sedan representeras av en positiv korrelation (synkroniserat brus), och värdet "0" med en negativ korrelation.

Fjärrstyrt experiment

På pappret fungerade denna typ av "korrelationskodning" perfekt. Att försäkra sig, dock, att det också skulle kunna förverkligas i praktiken, Divitt ville också testa i ett experiment. Det var ett problem, men:Divitt är amerikansk medborgare, och hans visum gick ut mot slutet av hans doktorsexamen. Så, han tog ett ganska ovanligt tillvägagångssätt. Innan han återvände till USA startade han ett experiment i Novotnys labb där kodningen av information i en optisk fiberbunt simuleras med hjälp av en så kallad rumslig ljusmodulator. Korrelationerna mellan ljusvågorna manipuleras och läses senare ut med hjälp av ett interferensmönster. Tillbaka i USA, Divitt startade experimentet – med fjärrkontroll från sin dator. Sålänge, kollegor i Zürich såg till att experimentupplägget alltid var i gott skick.

Efteråt, Divitt analyserade resultaten på sitt "hemmakontor" och fann att hans metod faktiskt fungerade. Han och hans Ph.D. rådgivare har sedan dess lämnat in en patentansökan för det. "Självklart, att göra sådan forskning är något ovanligt, " kommenterar Novotny. "Dessutom, det var bara möjligt eftersom ETH ger människor den nödvändiga friheten att testa vilda idéer då och då – om det behövs, även på långt håll."

Möjliga säkerhetsfördelar

Divitt och Novotny hoppas att å ena sidan, deras metod kommer att kunna öka datakapaciteten för fiberoptiska kablar ännu mer. Eftersom deras metod inte kräver koherent laserljus, det borde också vara billigare än konventionell teknik. Å andra sidan, korrelationskodning kan också bidra till datasäkerhet. Eftersom ljusvågornas oscillationer inte kan registreras i "realtid" på grund av deras höga frekvens, en eventuell avlyssnare skulle behöva avleda en avsevärd del av den optiska kraften för att erhålla ett interferensmönster och därmed fånga upp informationen. Den där, i tur och ordning, skulle märkas omedelbart, vilket skulle avslöja avlyssnaren.

Novotny har för avsikt att ta en ny doktorsexamen. student ombord och att ytterligare undersöka för- och nackdelar samt möjliga tillämpningar av korrelationskodning. Vid det här laget, Divitt bor i Washington, D.C., område med sin familj på fem, där han arbetar som forskningsfysiker. Han har goda minnen från sin tid i Zürich och från sitt fjärrstyrda experiment. Som ung Ph.D. student han skaffade sig den nödvändiga arbetsmoralen för att genomföra ett sådant projekt. "När jag började på ETH, vi hade redan vår första son, så jag var tvungen att vara välorganiserad redan från början, säger Divitt.