Trasmissione di dati attraverso il rumore controllato
I metodi di multiplazione sono utilizzati nella tecnologia dell'informazione per trasmettere più segnali di quanti siano i canali di trasmissione disponibili. I ricercatori del Fare all'ETH di Zurigo hanno ora inventato un nuovo metodo in cui le informazioni vengono codificate nel rumore correlato tra onde luminose spazialmente separate.
Per trasmettere contemporaneamente il maggior numero possibile di informazioni da A a B, negli ultimi decenni scienziati e ingegneri hanno sviluppato metodi sempre più sofisticati. Generalmente definiti metodi multiplex, queste tecniche consentono di trasmettere più segnali di quanti siano i canali di trasmissione disponibili. Un esempio tipico è la trasmissione radiofonica su frequenze diverse. Gli scienziati dell'ETH di Zurigo hanno ora inventato un nuovo metodo multiplex che si basa sul rumore - qualcosa che normalmente si vorrebbe evitare.
Correlazioni nella doppia fenditura
Shawn Divitt, che come dottorando del gruppo di lavoro del professore Lukas Novotny presso il Dipartimento di ingegneria elettrotecnica e dell'informazione ha dato l'impulso per lo sviluppo della nuova tecnologia due anni fa, aveva in realtà quasi finito la sua tesi di dottorato quando ha avuto un'idea.
In un esperimento a doppia fenditura - un classico della storia della fisica - ha studiato come si formano le correlazioni tra le onde luminose nelle due fenditure e come influenzano il modello di interferenza. Le correlazioni ci dicono quanto sia possibile prevedere la fase di oscillazione di un'onda luminosa, ad esempio, se si conosce la fase dell'altra onda. Anche se entrambe le fasi fluttuano o "rumoreggiano", possono farlo in modo più o meno sincronizzato. Se le correlazioni sono forti, si forma un modello di interferenza chiaramente visibile sullo schermo dietro le fenditure nell'esperimento della doppia fenditura. Le correlazioni deboli, invece, fanno sì che il modello di interferenza si affievolisca o scompaia completamente.
"L'idea era di generalizzare questo principio e di usarlo per codificare le informazioni", spiega Divitt. Per farlo, ha calcolato le correlazioni tra diverse onde luminose spazialmente separate, trasmesse ad esempio attraverso fibre di vetro a fascio. "La cosa interessante è che le correlazioni esistono a coppie tra le onde luminose, il che significa che il numero di queste correlazioni non aumenta linearmente con il numero di onde luminose, ma in modo approssimativamente quadratico", spiega Divitt.
In linea di principio, dovrebbe quindi essere possibile, ad esempio, codificare sei bit di informazione sotto forma di correlazioni con quattro onde luminose, 28 bit con otto onde luminose e così via. Il valore "1" di un bit può quindi essere rappresentato da una correlazione positiva (rumore sincrono), mentre il valore "0" può essere rappresentato da una correlazione negativa.
Esperimento controllato a distanza
Sulla carta, questo tipo di "codifica di correlazione" funzionava perfettamente. Tuttavia, per assicurarsi che potesse essere implementato anche nella pratica, Divitt ha voluto testarlo in un esperimento. Il problema era che Divitt è un cittadino americano e il suo visto scadeva alla fine del dottorato. Così ha preso una strada piuttosto insolita. Prima di tornare negli Stati Uniti, ha allestito un esperimento nel laboratorio di Novotny in cui un modulatore di luce spaziale viene utilizzato per simulare la codifica delle informazioni in un fascio di fibre ottiche. A tal fine, le correlazioni delle onde luminose nelle fibre di vetro simulate vengono manipolate di conseguenza e poi lette con l'aiuto di un modello di interferenza. Tornato negli Stati Uniti, Divitt ha poi condotto l'esperimento, utilizzando il controllo remoto del computer. Nel frattempo, i colleghi di Zurigo si sono assicurati che il set-up sperimentale fosse sempre in buone condizioni di funzionamento.
Divitt analizzò quindi i risultati dal suo studio e scoprì che il suo metodo funzionava davvero. Nel frattempo, lui e il suo supervisore di dottorato hanno già depositato un brevetto. "Naturalmente questo tipo di ricerca è piuttosto insolito", afferma Novotny. "? stato possibile solo perché l'ETH offre la libertà necessaria per testare le idee selvagge - anche a distanza, se necessario".
Possibili vantaggi in termini di sicurezza
Divitt e Novotny sperano che il loro metodo consenta di aumentare ulteriormente la capacità di trasmissione dei cavi in fibra ottica. Poiché il loro metodo non richiede luce laser coerente, ma funziona anche con normali sorgenti luminose, dovrebbe essere più economico rispetto alle tecnologie convenzionali. D'altra parte, la codifica di correlazione potrebbe anche contribuire alla sicurezza dei dati. Poiché le oscillazioni delle onde luminose non possono essere registrate in "tempo reale" a causa della loro alta frequenza, qualsiasi intercettatore dovrebbe deviare una parte considerevole dell'emissione luminosa per ottenere modelli di interferenza e quindi intercettare le informazioni. Questo sarebbe a sua volta immediatamente percepibile, il che smaschererebbe l'intercettatore.
Novotny spera di esplorare ulteriormente i vantaggi e le potenziali applicazioni della codifica di correlazione con un nuovo dottorando in futuro. Divitt vive ora con la sua famiglia di cinque figli nell'area di Washington D.C., dove lavora come ricercatore. Ricorda con affetto il periodo trascorso a Zurigo e il suo esperimento telecomandato. Ha acquisito la disciplina necessaria per portare a termine un'impresa del genere quando era un giovane dottorando: "Quando sono andato all'ETH, avevamo già il nostro primo figlio, quindi ho sempre dovuto essere ben organizzato fin dall'inizio", dice Divitt.