Физики впервые передали информацию на скрученной радиоволне

Новый метод переправки данных, опробованный в эксперименте на открытом воздухе, способен в десятки раз увеличить число независимых каналов в одном и том же узком частотном диапазоне.

Исследователи из университета Падуи (Università degli Studi di Padova) и лаборатории Ангстрема (Ångströmlaboratoriet)
переправили два разных сигнала на двух независимо работающих каналах связи от маяка на острове Сан-Джорджо на спутниковую антенну, стоящую на балконе Палаццо Дукале на материковой части Венеции (расстояние передачи составило 442 метра).

«Segnale ricevuto» (сигнал получен) — высветил проектор на стене венецианского дворца после успешного эксперимента по передаче «вихревой радиоволны» с закодированной информацией. Эта публичная демонстрация, после первых тестов в лабораторных условиях, состоялась 24 июня 2011 года, а 1 марта 2012-го вышла научная публикация с детальным объяснением опыта (фото с сайта lighthouseinthesky.blogspot.com).

В опыте не было бы ничего необычного, если б оба канала не работали одновременно на одной несущей частоте 2,414 ГГц. Притом использовались два одинаковых Wi-Fi-FM-передатчика каждый мощностью 2 Вт. Отличались же только передающие антенны. Они позволили итальянским и шведским экспериментаторам по-разному «закодировать» две одинаковые почти во всех отношениях радиоволны.

Дело в том, что у электромагнитной волны, помимо частоты, амплитуды, фазы и (в некоторых случаях) поляризации есть ещё одна малоизвестная характеристика — орбитальный угловой момент (OAM).

Он определяется (если, конечно, не равен нулю) специфичной формой волнового фронта, закрученного вдоль оси распространения, словно витые макароны фузилли.

Витой фронт волны с ненулевым орбитальным моментом напоминает пасту фузилли (иллюстрации wikipedia.org, foodyvino.wordpress.com).

У этой закрутки (радиовихря) может отличаться не только направление (против или по часовой стрелке), но и степень перекрученности (соотношение между шагом спирали и длиной волны).

Регулируя этот параметр, в пространстве состояний OAM можно создавать, теоретически, хоть бесконечное число каналов, работающих на одной и той же частоте. И потому вдобавок к классической настройке радиоприёмника по частоте, восходящей ещё ко временам Маркони и Попова, авторы работы предлагают ввести гипернастройку – по параметру OAM.

Именно её они и продемонстрировали в Венеции. Один из каналов транслировался на самой обычной, нескрученной волне (условно – с OAM, равным нулю), а второй — на практически такой же, но скрученной (OAM — единица). Исследователи разработали оригинальную технологию детектирования такой волны, позволяющую проявить её орбитальный момент.

Чтобы различать каналы и точно знать, что каждый из них принимается независимо, учёные передавали по ним два разных звуковых тона – 400 и 1000 Гц.

Карта интенсивности (отражена цветом) сердцевины закрученного радиовихря, полученная в 40 метрах от излучателя. Шкалы по вертикали и горизонтали — сантиметры (иллюстрация Fabrizio Tamburini et al./ New Journal of Physics).

Новаторы пишут: «На сегодняшний день не было ни одного отчёта о передаче витых пучков радиоволн в реальном мире.

Результаты нашего опыта с радиовихрем на открытом воздухе показывают, что при использовании неподвижной несущей частоты внутренне присущая ортогональность бессчётных состояний OAM может обеспечить сколь угодно большой набор независимых каналов передачи, без увеличения ширины полосы частот, каждый из которых характеризуется только его своеобразным топологическим свойством.

Эта новая техника может быть описана как топологическое многообразие».

Для генерации радиовихря использовался излучатель (слева) с геликоидной чашей (учёные сделали её из пары обычных 80-сантиметровых антенн-тарелок), а для отправки традиционного «плоского» сигнала – антенна Уда-Яги (справа) (фотографии Fabrizio Tamburini et al./ New Journal of Physics).

На практике, конечно, бесконечное число каналов получить нельзя. Но ведущий автор работы Фабрицио Тамбурини (Fabrizio Tamburini) утверждает: «В разумных экономических границах можно использовать состояния орбитального момента от -5 до +5, в том числе нескрученную волну. В этом случае мы можем иметь 11 каналов на одном частотном диапазоне. Если ещё использовать мультиплексирование, как в цифровом ТВ, на каждом из них, то можно получить 55 каналов в одном частотном диапазоне».

Публичный эксперимент в Венеции, по мнению устроителей, послужил аналогом первых в мире самых простых опытов по передаче и приёму радиосигналов. Кстати, в момент, когда два сигнала (на обычной и скрученной волне) были успешно получены одновременно, организаторы эксперимента произвели винтовочный выстрел в честь первой радиопередачи Гульельмо Маркони в 1895 году.

Схема опыта в Венеции. Для правильного приёма закрученной радиоволны использовались две приёмные антенны (иллюстрация Fabrizio Tamburini et al./ New Journal of Physics).

По информации PhysOrg.com, работа европейцев может быть распространена не только на область связи, но и, к примеру, на астрономию.

Так, похожим образом закрученные волны генерирует чёрная дыра в центре Галактики. Используя новые принципы приёма, можно определять параметры этой закрученности, а значит, получать дополнительную информацию об этом таинственном объекте.

(Подробности нового принципа кодировки и детали самого опыта можно найти в открытой статье в New Journal of Physics, а также в ролике ниже.)