Меню

Как свет переносит информацию



Видимый свет как средство для передачи информации в устройствах

В связи с всё большим распространением электронных устройств, которые можно переносить становиться ряд задач требующих как можно более быстрого решения. Например, смартфоны и некоторые другие девайсы используют для передачи информации привычные системы. В некоторых ситуациях такие способы передачи данных оказываются не эффективными ввиду искажения информации.

Новая технология передачи информации

В настоящее время уже появилась принципиально новая технология при помощи, которой можно организовать беспроводную коммуникацию для мобильных устройств и компьютеров. Она основана на передаче информации с применением видимого спектра света. Сейчас же передача данных таким способом может проходить лишь на небольшие дистанции.

Данная технология получила название VLC (visible light communication — коммуникация [с использованием] видимого света). Конечно же, можно предположить, что она могла бы и ранее стать самой распространённой системой по передаче информации. Но тут возникает одно существенное ограничение, которое связано с тем, что свет можно просто выключить или на его пути возникнет определённая преграда.

Но сейчас уже создан новый проект в университете города Дортмунд под названием «DarkLight». Это позволило продемонстрировать способ передачи данных при помощи видимого света даже в ситуации, когда он выключается.

Этот способ может оказаться наиболее простым средством по передаче информации наподобие передатчиков инфракрасного излучения. При этом есть преимущество, связанное с тем, что не надо иметь дополнительный излучатель как в инфракрасном датчике. В таком варианте применяется свет обычного светодиода, который есть везде.

Источник

# чтиво | Возможна ли передача информации быстрее скорости света?

Одним из принципов специальной теории относительности Эйнштейна является следующий: ничто не может двигаться быстрее, чем свет в вакууме. Скорость света считается универсальным ограничением скорости всего, и это широко принято научным сообществом. Однако наука такая штука, что если кто-то установил твердое правило, всегда найдется кто-то другой, кто попытается опровергнуть его или хотя бы найти лазейку. Скорость света не стала исключением.

Свет в вакууме движется со скоростью примерно 299 792 км/с. В сентябре 2011 года физики, работающие на OPERA (Oscillation Project with Emulsion-tRacking Apparatus, эксперимент по изучению нейтринных осцилляций), вызвали настоящий переполох в научном сообществе, когда объявили, что эксперимент показал, что субатомные частицы под названием нейтрино прошли путь от CERN до итальянской Национальной лаборатории Гран Сассо на 60 наносекунд быстрее, чем луч света. Мозги ученых закипели, выдумывая разнообразные теории того, как это вообще возможно. Однако все свелось к ошибке: один из кабелей был потерян, и все результаты были опровергнуты. Переписывать теорию Эйнштейна не пришлось.

Другие исследователи пытаются обойти правила, а не нарушить их. К примеру, идея гибкого пространства-времени имеет все шансы на то, чтобы сделать возможным путешествие в космическом пространстве быстрее скорости света. Суть в том, что пространство-время будет сжиматься перед кораблем и расширяться позади него, в то время как сам корабль будет оставаться неподвижным в варп-пузыре. Эту идею впервые сформулировал мексиканский физик-теоретик Мигель Алькубьерре в 1994 году, однако ему потребовалось огромное количество негативной энергии (во вселенских масштабах), чтобы эксперимент стал возможным. Позже количество энергии сократилось до размеров планеты, а впоследствии и вовсе до размеров зонда. Математически теория построена на законах относительности, поэтому теоретически эксперимент не нарушает правил. Однако технологии пока не позволяют реализовать такой проект. Что не мешает Гарольду Уайту из NASA разрабатывать собственный варп-двигатель.

Космические путешествия — это всего лишь один из возможных способов применения сверхсветовой скорости. Нам бы, например, очень хотелось заглянуть на планету Gliese 581g и посмотреть, как там развивается местная жизнь (если она существует). Однако звезда Gliese находится в 20 световых годах от нас, а значит даже со скоростью света лететь до нее 20 лет.

Читайте также:  Как проверить платеж за свет

Некоторые ученые хотят передавать данные быстрее скорости света. Возможно ли это? Давайте посмотрим.

Может ли информация передаваться со скоростью света?

Очень важно примечание «в вакууме», о котором мы говорили в самом начале. Свет движется по оптоволокну не так быстро, как в вакууме. Проходя через любую известную нам среду, свет движется значительно медленнее, чем в «идеальных» условиях, о которых говорит константа. Воздух не особо мешает свету, но стекло — существенно. Показатель преломления для среды у света это значение скорости света в вакууме, деленное на скорость света в среде. Для стекла этот показатель равен 1,5, поэтому если вы поделите скорость света (300 000 км/с примерно) на 1,5, то получите 200 000 км/c — приблизительная скорость света, проходящего через стекло. Некоторое оптоволокно сделано из пластика, у которого еще больший показатель преломления света, а значит и скорость меньше.

Одной из причин уменьшения скорости является двойственная природа света. Он обладает признаками как частицы, так и волны. Да, свет состоит из фотонов, но они не двигаются по прямой линии, проходя через кабель. И поскольку фотоны сталкиваются с молекулами материала, они движутся в разных направлениях. Преломление света и поглощение среды, в конечном итоге, приводит к потере энергии и данных. Именно потому сигнал не может двигаться бесконечно, и его нужно постоянно усиливать для передачи на длинную дистанцию. Стоит отметить, что замедление света — это лишь малая толика плохих новостей. В оптоволоконный кабель иногда добавляются примеси, которые контролируют скорость света и позволяют транслировать сигнал эффективнее.

Оптоволоконный кабель, конечно, гораздо быстрее передает информацию, чем медный провод, и не так подвержен воздействию электромагнитных помех. Волокно позволяет достичь скорости передачи в несколько сотен Гб/с или даже Тб/с. Домашнее интернет-соединение не демонстрирует такой скорости хотя бы потому, что проводка везде разная. Даже если у вас стоит оптоволокно, возможно, на одном из участков передачи данных есть медный кусок. Но даже с таким оптоволокном информация будет идти к вам со скоростью 50-100 Мб/c, что получше, чем 1-6 Мб/с у DSL-линий. Скорость соединения зависит также от местоположения, провайдера и вашего тарифного плана.

Есть и другие вещи, которые вызывают задержки сигнала (так называемый delay — «дилэй»), когда вы пытаетесь зайти на страничку в Сети или играете в онлайн-игру. Ваш компьютер и сервер, который хранит данные, сообщаются, чтобы данные были синхронизированы и передавались эффективно, и именно это вызывает задержки. Также важна дистанция, которую проходят данные, а в некоторых местах могут быть «узкие проходы», которые задержат их еще больше. Система работает настолько быстро, насколько быстро работает самый медленный ее компонент.

Ученые работают над созданием системы передачи данных по воздуху. Представьте себе Wi-Fi-лампочки или Wi-Fi-напыление, о котором мы когда-то писали, или вообще лазерные лучи от здания к зданию. Но все равно свет может двигаться через воздух со скоростью, близкой к скорости света в вакууме, но не больше. Как обойти это ограничение?

Возможность сверхсветовой скорости передачи данных

Другой вариант сверхсветовой скорости передачи — это квантовая телепортация, один из парадоксов квантовой механики, который основан на запутанных парах: две частицы, запутанные друг с другом, будут обладать одними и теми же характеристиками, вне зависимости от того, как далеко вы разведете их. Также требуется третья частица, которая будет содержать данные, которые вам нужно передать. С помощью лазера можно телепортировать, в буквальном смысле, одну из частиц куда угодно. Это не похоже на передачу фотона, скорее на замену одного фотона копией оригинала. Этот фотон можно сравнить с третьей частицей на предмет нахождения соответствий или различий, а эта информация уже может быть использована для сравнения двух частиц. Похоже на моментальную передачу данных, но не совсем. Лазерный луч может двигаться только со скоростью света. Однако его можно использовать для передачи зашифрованных данных на спутник, а также для создания квантовых компьютеров, если мы-таки до них доберемся. Такая технология зашла куда дальше, чем любые другие попытки передать информацию быстрее скорости света. На сегодняшний день она работает только в ограниченных пределах, а ученые постоянно работают над увеличением дистанции телепорта.

Читайте также:  Как выбрать комплекты студийного света

Ответа на вопрос, может ли значимая информация двигаться быстрее, чем свет, пока нет. Сейчас мы можем переместить лишь несколько частиц, и это хорошо, поскольку в дальнейшем может привести нас к желанной цели. На практике, вам нужно передать организованные биты информации, которые хоть что-то означают и не повреждены, на другую машину, которая сможет их прочитать. В противном случае самая быстрая в мире передача данных не будет стоить и ломаного гроша. Но можете быть уверены, если ученые все же превысят порог скорости света, ваш Интернет заработает быстрее. Намного быстрее, чем начнутся межзвездные перелеты.

Источник

Передача данных с помощью света. Зачем переходить от электроники к оптике и как это сделать

Георгий ЗОГРАФ, аспирант физико-технического факультета Университета ИТМО:

— Глобальная цель нанофотоники как такого раздела оптики — это переход от классических электронных устройств хранения и передачи информации к оптическим.

Вызвано это двумя причинами: во-первых, в природе ничего быстрее света не распространяется. Соответственно, если мы научимся передавать, хранить и распространять сигналы при помощи света, мы добьемся максимально возможных скоростей и производительности. Вторая причина — это классические электронные приборы. Устройства у нас греются. Вы же знаете — по проводам течет ток. Он заставляет проводники греться. Это вызывает всякие периодические эффекты, от которых сложно потом избавиться. В принципе оптика может решить все эти проблемы, но возникают сложности: если, скажем, в качестве сигнала в классических компьютерах и телефонах у нас выступает ток — соответственно, носителем, переносчиком тока являются заряженные частицы (в частности, электроны), то в данном случае нам для перехода на оптическую коммуникацию и способы хранения данных нужно научиться передавать особым образом свет.

Соответственно, нам нужны и наноразмерные источники света. В частности, наноразмерными источниками света занимаемся и мы на основе перовскитов. Чем они хороши? Тем, что мы можем создавать такие наноразмерные источники света, у которых длина волны испускаемых фотонов будет различной. Это будет означать, что мы, меняя длину волны, можем спокойно менять информацию и сигнал, который мы хотим передать по оптическим сетям.

Конкретно я занимаюсь нанофотоникой. Вы видели, что на двери лаборатории написано: «Лаборатория гибридной нанофотоники и оптоэлектроники»? Вот нанофотоника — это то слово, которое лучше всего будет охарактеризовывать то, чем я занимаюсь. В качестве своей магистерской работы я занимался кремниевыми наночастицами, которые способны, на самом деле, эффективно греться на наномасштабе при помощи света. При всем при этом они еще могут служить в качестве наноразмерных термометров. Они таким образом рассеивают свет от себя, что по частоте этого рассеянного света можно определять изменение частоты — насколько у нас нагрелся наш объект или область, которую мы пытаемся изучить.

Это, на самом деле, был такой очень интересный результат. И в какой-то степени прорывной, потому что до этого для задачи оптического нагрева использовались металлические частицы в основном, которые лишены такого температурного отклика. Соответственно, для того чтобы измерять температуру на наномасштабе, приходилось использовать сложные многостадийные этапы производства, фабрикации. Но не всегда это применимо для некоторых областей в биологии и медицине.

Читайте также:  Почему мерцает лампа дневного света после выключения

И вот такая концепция, которую мы предложили, теоретически рассчитали и экспериментально подтвердили, она может каким-то образом помочь упростить процесс детектирования температуры на наномасштабе. Эту идею мы некоторым образом развили. Мы, например, научились создавать такие упорядоченные структуры (модное слово сейчас — метаматериалы, метаповерхности). И вообще, классическим образом в изготовлении таких метаматериалов и метаповерхностей на наномасштабах используют литографы. Это такие аппараты, большие машины, которые умеют точным образом, светом, электронно вырезать то, что мы хотим. Ну знаете, мы переходим в FabLab и вырезаем — вот такое можно делать и на наноуровне. Но сложность состоит в том, что, если мы хотим как-то очень точно наши оптические свойства подстроить с помощью метаповерхностей и метаматериалов, литограф нам уже не будет подходить. Соответственно, мы научились создавать такие кремниевые метаповерхности, и при помощи вот этого прекрасного свойства материала (кремния, который имеет температурный отклик) мы можем засвечивать эти метаповерхности очень локально. А также очень локально нагревать их и в какой-то момент, превосходя порог плавления, можем менять структуру метаповерхности.

Например, у нас есть метаповерхность из шариков, каких-то цилиндров. Мы можем один цилиндр просто расплавить — таким образом, если мы представим, возникнет такой квадратик 3×3, и если мы расплавили центральный цилиндр, то в нем ничего нет. Соответственно, оптические свойства могут очень сильно измениться. Этому есть тоже интересное приложение вот такого оптического нагрева. Вот как температура на наномасштабе для фабрикации.

Из самых свежих исследований, которые мы сейчас ведем, — это создание таких терморазрушаемых полимерных капсул для адресной доставки лекарственных средств. Такие полимерные капсулы представляют собой карго-коробочку, внутри которой помещаются лекарственные препараты. Это достаточно очевидно: классическая капсула, которую мы принимаем с завтраком, биоразлагаема. Мы принимаем лекарство, и через какое-то время оно впитывается в стенки желудка или еще куда-то. Именно поэтому капсулы и таблетки просят не резать пополам, а именно целиком принимать — ведутся исследования, чтобы они в нужный момент времени растворялись.

Соответственно, если ты их ломаешь, это не очень хорошо сказывается на их действии. И вот такие наноразмерные, микроразмерные капсулы с помещенными внутрь лекарственными препаратами уже используются в медицине, и в основном как раз используются биоразлагаемые капсулы. Мы подумали, что потенциал есть в том, чтобы температурно разрушать эти капсулы. Например, у нас есть какой-то лекарственный препарат, помещенный в это карго, который каким-то образом покрывается специальными биологическими молекулами (может быть, полимерными), которые такими маленькими крюками могут в нужную область прицепиться, а дальше дело остается за малым.

Наши коллеги-биологи умеют создавать такие молекулы-крюки, которые умеют приставать к определенным клеткам. И дальше нам нужно создать эту капсулу, чтобы доставить лекарственные средства и победить всякие болезни. Мы предложили: «А давайте будем светить лазером, который не нанесет никакого вреда организму, но при этом очень эффективно может нагревать эти маленькие частицы, которые можно поместить как раз в стенки этих полимерных капсул?» И аккуратно повышая интенсивность, получая информацию о температуре, которую мы умеем измерять при помощи рассеивания, в частности, кремниевых частиц, мы можем (плавно поднимаясь с низких температур) добиться терморазрушения капсулы.

И всё! Таким образом мы вызволим из капсулы лекарственные препараты, минимально потревожив здоровые клетки и сам организм.

Редакция «Чердака»

Источник