Op het gebied van informatietechnologie, multiplexschema's worden gebruikt om meer signalen te verzenden dan het aantal beschikbare transmissiekanalen. Onderzoekers van ETH in Zürich hebben een nieuwe methode uitgevonden waarbij informatie wordt gecodeerd in de gecorreleerde ruis tussen ruimtelijk gescheiden lichtgolven.

Om zoveel mogelijk informatie tegelijkertijd van A naar B te sturen, wetenschappers en ingenieurs hebben de afgelopen decennia steeds geavanceerdere technieken ontwikkeld. Die technieken, algemeen bekend als multiplexen, toestaan ​​om meer signalen uit te zenden dan het aantal beschikbare transmissiekanalen. Een typisch voorbeeld hiervan is radio-uitzending op verschillende frequenties. Wetenschappers van ETH in Zürich hebben nu een nieuwe multiplextechniek uitgevonden die is gebaseerd op ruis - iets dat men doorgaans probeert te vermijden.

Correlaties in de dubbele spleet

Shawn Divitt, die twee jaar geleden de ontwikkeling van de nieuwe technologie initieerde toen hij als Ph.D. student in de onderzoeksgroep van professor Lukas Novotny, bijna klaar was met zijn proefschrift toen hij op een idee kwam. In een dubbelspletenexperiment – ​​een klassieker in de geschiedenis van de natuurkunde – had hij onderzocht hoe correlaties tussen de lichtgolven in de twee spleten tot stand komen en hoe deze het interferentiepatroon beïnvloeden.

Correlaties geven aan hoe goed men kan voorspellen, bijvoorbeeld, de oscillerende fase van een lichtgolf als men de fase van de andere golf kent. Zelfs als beide fasen "luidruchtig, " wat betekent dat hun waarden fluctueren, ze kunnen dat nog steeds min of meer synchroon doen. Als de correlaties sterk zijn, een duidelijk zichtbaar interferentiepatroon verschijnt op een scherm achter de spleten in een dubbelspletenexperiment. zwakke correlaties, anderzijds, ervoor zorgen dat het interferentiepatroon vervaagt of volledig verdwijnt.

"Het idee was om dat principe te veralgemenen en te gebruiken om informatie te coderen, " legt Divitt uit. Daartoe hij berekende de correlaties tussen verschillende ruimtelijk gescheiden lichtgolven, welke kan, bijvoorbeeld, via een optische vezel worden verzonden. "Wat interessant is, is dat de correlaties bestaan ​​tussen paren lichtgolven, wat betekent dat het aantal van die correlaties niet lineair toeneemt met het aantal lichtgolven, maar ruwweg kwadratisch, ' zegt Divitt.

In principe, daarom, het moet mogelijk zijn om zes bits informatie te verzenden met vier lichtgolven, 28 bits met acht lichtgolven, enzovoorts. De waarde "1" van een bit kan dan worden weergegeven door een positieve correlatie (gesynchroniseerde ruis), en de waarde "0" door een negatieve correlatie.

Extern bestuurd experiment

Op papier werkte dit type "correlatiecodering" perfect. Om er zeker van te zijn, echter, dat het ook in de praktijk kan worden gerealiseerd, Divitt wilde ook testen in een experiment. Er was één probleem, hoewel:Divitt is een Amerikaans staatsburger, en zijn visum verliep tegen het einde van zijn doctoraat. Dus, hij nam een ​​nogal ongebruikelijke benadering. Voordat hij terugkeerde naar de VS zette hij een experiment op in Novotny's lab waarbij de codering van informatie in een glasvezelbundel wordt gesimuleerd met behulp van een zogenaamde ruimtelijke lichtmodulator. De correlaties tussen de lichtgolven worden gemanipuleerd en later uitgelezen met behulp van een interferentiepatroon. Terug in de VS, Divitt startte het experiment – ​​op afstand vanaf zijn computer. Ondertussen, collega's in Zürich zorgden ervoor dat de experimentele opstelling altijd in orde was.

Daarna, Divitt analyseerde de resultaten in zijn "thuiskantoor" en ontdekte dat zijn methode echt werkte. Hij en zijn Ph.D. adviseur heeft er inmiddels een octrooiaanvraag voor ingediend. "Natuurlijk, zo'n onderzoek doen is nogal ongewoon, " Novotny merkt op. "Bovendien, het was alleen mogelijk omdat ETH mensen de nodige vrijheid geeft om af en toe wilde ideeën te testen - indien nodig, zelfs van ver."

Mogelijke beveiligingsvoordelen

Divitt en Novotny hopen dat, aan de ene kant, hun methode zal de datacapaciteit van glasvezelkabels nog meer kunnen vergroten. Omdat hun methode geen coherent laserlicht vereist, het moet ook goedkoper zijn dan conventionele technologieën. Anderzijds, correlatiecodering kan ook bijdragen aan de veiligheid van gegevens. Omdat de oscillaties van lichtgolven vanwege hun hoge frequentie niet in "realtime" kunnen worden geregistreerd, een eventuele afluisteraar zou een aanzienlijk deel van het optische vermogen moeten omleiden om een ​​interferentiepatroon te verkrijgen en daarmee de informatie te onderscheppen. Dat, beurtelings, onmiddellijk zou worden opgemerkt, die de afluisteraar zou ontmaskeren.

Novotny is van plan om een ​​nieuwe Ph.D. student aan boord en om de voor- en nadelen en mogelijke toepassingen van correlatiecodering verder te onderzoeken. Tegen deze tijd, Divitt woont in Washington, gelijkstroom, gebied met zijn gezin van vijf, waar hij werkt als onderzoeksfysicus. Hij heeft goede herinneringen aan zijn tijd in Zürich en aan zijn op afstand bestuurbare experiment. Als jonge Ph.D. student verwierf hij de nodige arbeidsethos om een ​​dergelijk project tot een goed einde te brengen. "Toen ik begon bij ETH, we hadden al onze eerste zoon, dus ik moest vanaf het begin goed georganiseerd zijn, ' zegt Divitt.