Если Вас уже не удовлетворяет скорость подключения к Интернету, помощь вскоре может прибыть от орбитального момента света. Это потому, что международная группа исследователей разработала прототип системы, в которой это ранее неиспользованное свойство электромагнитного излучения применяют для увеличения объема информации, передаваемой с использованием уже имеющегося трафика. Хотя проверка передачи была сделана на расстояние несколько метров в вакууме, технология, разработанная при этом, принципиально доказывает, что она может найти широкое применение в оптической связи.
Скорость передачи данных с помощью электромагнитного излучения, как правило, ограничивается тем, сколько частот электромагнитного спектра используется, это называют пропускной способностью системы. Однако, электромагнитное излучение имеет и другие степени свободы в дополнение к частоте и исследователи стремятся использовать их для разработки схемы мультиплексирования для увеличения объема передаваемых данных. Например, фотоны обладают собственным угловым моментом, спином, который проявляется в поляризации света. Это свойство уже используется для увеличения скорости передачи данных - один поток данных передается с помощью фотонов с вертикальной поляризацией, например, а другой поток, использует фотоны с горизонтальной поляризацией.
Орбитальный момент
Оказывается, что свет также несет орбитальный момент. В результате фазовый фронт волны вращается относительно направления распространения, создавая картинку напоминающую штопор. В то время как спиновый момент может принимать только два значения, орбитальный момент может, в принципе, принимать бесконечное число значений. Это могло бы теоретически позволить создать большое количество каналов передачи данных с помощью малого количества частот.
Этот орбитальный момент впервые был рассмотрен в качестве возможного способа квантовой коммуникации в 2001 году австрийским физиком Антоном Цайлингером (Anton Zeilinger). Идея, что классическая информация также может быть закодирована орбитальным угловым моментом фотонов затем была продемонстрирована в 2004 году Майлсом Паджеттом (Miles Padgett) и его коллегами из Университета в Глазго, Великобритания. Однако, в то время как группа Паджетта доказала принципиальную работоспособность идеи, предстояло еще много сделать для создания эффективной системы.
Вызов принял Алан Виллнер и группа ученых из Университета Южной Калифорнии, которые вместе с коллегами из США и Израиля, впервые использовали орбитальный угловой момент для мультиплексирования. Каждый поток данных кодируется обычным способом с помощью последовательности включений/выключений лазера. Затем отдельным потокам данных придают различные орбитальные моменты, перед тем как лучи объединят и начнут передавать. По окончании передачи, различные потоки разделяют способом, называемым «демультиплексирование».
Нет помех
Состояния с различными орбитальными угловыми моментами ортогональны, это означает, что нет «перехлеста» между ними. Дополнительно, так как квантовая механика позволяет вам знать, как орбитальный, так и спиновый момент фотона одновременно, исследователи смогли выполнить и поляризационное мультиплексирование, и мультиплексирование орбитальным угловым моментом. Это удвоило число доступных состояний и позволило достичь терабитной скорости передачи.
«Что поражает меня больше всего [в исследовании] так это то, что оно выходит за рамки доказательства принципа до уровня, где результаты исследователей показывают реальную значимую скорость», комментирует Паджетт. «Это не просто дает мне доказательство для фундаментальной физики, это также внедрение реальной технологии, которая будет практически необходима для построения работоспособной системы».
Атмосферные проблемы
Однако, еще многое предстоит сделать. Испытание проводилось в вакууме, с передачей на расстояние всего лишь несколько метров. Виллнер объясняет, что наличие атмосферы может вызвать проблемы. «В атмосфере имеется турбулентность, которая создает помехи. В результате облака, ветер и теплый воздух, могут привести к тому, что часть энергии от одного витого луча может перейти на другой витой луч». Поглощение сигнала, это другая проблема, связанная с передачей через атмосферу. Тем не менее, Виллнер остается оптимистом. «Мы пытаемся увеличить пропускную способность и исследовать ограничения на распространение», говорит он.
Использование мультиплексированной передачи по оптическому волокну, это другая возможность, согласно Виллнеру, который отмечает, что исследователи, работающие в Бостонском университете, уже показали, что с помощью орбитального углового момента можно передавать информацию более чем на 1 км.