انتقال داده با نویز کنترل شده

اول مارس 2019 توسط الیور مارش
 

توضیح تصویر: تکنولوژی جدید برنامه ریزی شده توسط محققان ETH امکان استفاده بهتر از ظرفیت انتقال الیاف نوری را فراهم می آورد.
 
در تکنولوژی اطلاعات، طرح‌های چندتایی استفاده می‌شود تا انتقال سیگنال‌های بیشتری در مقایسه با تعداد کانال‌های انتقال موجود صورت گیرد. محققان ETH در زوریخ اختراع روش جدیدی را ارائه داده‌اند که در آن اطلاعات در نویز همبسته بین امواج نور جدا شده‌ی فضایی کد گذاری می‌شوند.
 
برای ارسال حداکثر اطلاعات ممکن به طور همزمان از A تا B، دانشمندان و مهندسان در دهه‌های گذشته تکنیک‌های روز افزون پیشرفته‌ای را توسعه داده‌اند. این تکنیکها، که به طور کلی به عنوان چندتایی شناخته می‌شوند، اجازه می‌دهند تا سیگنال‌های بیشتری نسبت به تعداد کانال‌های انتقال موجود ارسال شوند. یک مثال معمول برای موضوع، پخش رادیو در فرکانس‌های مختلف است. دانشمندان ETH در زوریخ اکنون تکنیک چند تایی جدیدی را طراحی کرده‌اند که مبتنی بر نویز است - چیزی که به طور معمول تلاش می‌کنند از آن اجتناب کنند.
 

شاون دیویت، که دو سال پیش توسعه فن آوری جدید را، هنگامی که به عنوان یک دانشجوی دکترا در گروه تحقیقاتی پروفسور لوکاس نووتنی کار می‌کرد، شروع کرد، تقریبا رساله خود را پایان داده بود که ایده‌ای را مطرح کرد. در یک آزمایش دو شکافی - یک آزمایش کلاسیک در تاریخ فیزیک - او بررسی کرده است که چگونه همبستگی بین امواج نوری که از دو شکاف ایجاد شده است وجود دارد و چگونه این همبستگی بر الگوی تداخل تاثیر می‌گذارد. همبستگی‌های نوری نشان می‌دهد که چطور می‌توان به عنوان مثال، اگر فاز موج دیگر را بدانیم، فاز نوسان یک موج نور را پیش بینی کرد. حتی اگر هر دو فاز "نویزدار" باشند.
 
همبستگی‌ها نشان می‌دهد که چطور می‌توان به عنوان مثال، اگر فاز موج دیگر را بدانیم، فاز نوسان یک موج نور را پیش بینی کرد. حتی اگر هر دو فاز "نویزدار" باشند، به این معنی که بزرگی‌های آنها نیز نوسانی باشد، آنها می‌توانند این کار را با هماهنگی بیشتر یا کمتری انجام دهند. اگر همبستگی قوی باشد، بر روی صفحه نمایش پشت شکاف در آزمایش دو شکافی یک الگوی تداخل واضح به نظر می‌رسد. از طرف دیگر، همبستگی ضعیف باعث می‌شود که الگوی تداخلی به طور کامل از بین برود یا ناپدید شود.
 
دیویت توضیح می‌دهد: " ایده قرار بود که این اصل را تعمیم دهد و از آن برای رمز گذاری اطلاعات استفاده کند." برای این منظور، او ارتباطات بین چندین موج نور جدا شده فضایی را، که می‌توانند به عنوان مثال از طریق فیبر نوری انتقال یابند، محاسبه کرد. جالب این جاست که همبستگی بین جفت امواج نور وجود دارد، این بدان معنی است که تعداد این همبستگی‌ها به صورت خطی با تعداد امواج نور افزایش نمی‌یابد، بلکه تقریباً این افزایش به صورت مربعی با تعداد امواج نور صورت می‌گیرد.
 

توضیح تصویر: الگوی تداخل (بالا) و همبستگی محاسبه شده (پایین) در آزمایش با سه فیبر نوری شبیه سازی شده. بیت‌های داده "000" و "111" از همبستگی منفی و مثبت در نویز امواج نور حاصل می‌شود.
 
بنابراین اصولاً باید بتوانیم شش بیت اطلاعات را با استفاده از چهار موج نور، 28 بیت را با استفاده از هشت موج نور و به همین ترتیب انتقال دهیم. پس مقدار "1" از یک بیت می‌تواند با یک همبستگی مثبت (نویز همزمان شده) و مقدار "0" توسط یک همبستگی منفی نشان داده شود.
 

بر روی کاغذ این نوع "کد گذاری همبستگی" کاملا کار می‌کرد. با این وجود، برای اطمینان از این که در عمل نیز قابل تحقق است، دیویت همچنین می‌خواست در یک آزمایش آن را تست کند. یک مشکل وجود داشت: دیویت یک شهروند ایالات متحده است و ویزای او تا پایان دکترای او منقضی می‌شد. بنابراین، او یک رویکرد نسبتا غیر معمول را اتخاذ کرد. قبل از بازگشت به ایالات متحده، او تست آزمایشگاهی Novotny را انجام داد که در آن کد گذاری اطلاعات در یک بسته فیبر نوری با استفاده از یک مدولاتور نور به اصطلاح شبیه سازی شده است. همبستگی بین امواج نور دستکاری می‌شود و بعد با کمک الگوی تداخل خوانده می‌شود. با بازگشت به ایالات متحده، دیویت آزمایش را با کنترل از راه دور توسط کامپیوترش آغاز کرد. در همین حال، همکارانش در زوریخ اطمینان دادند که تنظیمات آزمایشی همواره در شکل خوب بوده است.
 
پس از آن، دیویت نتایج خود را در دفتر کار واقع در خانه‌اش تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که روش او واقعاً کار می‌کرد. او و مشاور دکترش از آن زمان یک تقاضای ثبت اختراع برای این آزمایش داده‌اند. نووتنی می‌گوید: "البته تحقیقاتی مانند این، تا حدودی غیر معمول بود." "علاوه بر این، انجام این کار تنها به این دلیل ممکن بود که ETH آزادی لازم برای آزمایش ایده‌های وحشی را برای مردم در اکنون و آینده فراهم می‌آورد – حتی اگر شده با کنترل از راه دور."
 

دیویت و Novotny امیدوارند که از یک طرف، روش آنها بتواند ظرفیت داده‌های فیبر نوری را حتی بیشتر افزایش دهد. چون که روش آنها به نور لیزر همبسته نیاز ندارد، قاعدتاً باید از تکنولوژی‌های معمول نیز ارزان تر باشد. از سوی دیگر، برنامه نویسی همبستگی همچنین می‌تواند به ایمنی داده‌ها کمک کند. از آن جایی که نوسانات امواج نور به علت فرکانس بالای آنها نمی‌تواند بلادرنگ ثبت شود، یک شنودگر ممکن لازم خواهد بود تا قسمت قابل توجهی از توان نوری را برای به دست آوردن یک الگوی تداخل، و از این رو سد کردن راه اطلاعات، تغییر مسیر دهد. این، به نوبه خود، بلافاصله معلوم می‌شود، و این شنودگر را افشا خواهد کرد. بر روی کاغذ این نوع "کد گذاری همبستگی" کاملا کار می‌کرد. با این وجود، برای اطمینان از این که در عمل نیز قابل تحقق است، دیویت همچنین می‌خواست در یک آزمایش آن را تست کند.
 
Novotny قصد دارد یک دانشجوی Ph.D جدید برای کار بگیرد و تحقیقات بیشتری در جوانب مثبت و منفی و همچنین برنامه های کاربردی احتمالی که در آنها از برنامه نویسی همبستگی استفاده خواهد شد صورت دهد. در حال حاضر، دیویت در منطقه واشنگتن، D.C با خانواده  پنج نفری‌اش زندگی می‌کند، جایی که او به عنوان یک فیزیکدان محقق کار می‌کند. او خاطرات دوست داشتنی‌ای از خود در زمان اقامتش در زوریخ و نیز آزمایش کنترل از راه دورش دارد. به عنوان یک دکتر جوان دانش آموز او اخلاق کاری لازم را برای به دست آوردن چنین پروژه‌ای به دست آورده است. دیویت می‌گوید: "وقتی من در ETH شروع کردم، ما اولین پسرمان را داشتیم، بنابراین باید از همان ابتدا به خوبی سازماندهی می‌شدیم."
 
ارائه شده توسط ETH Zurich
برگرفته از سایت فیز اُرگ