CP v2

Tag: Topologija

  • Lazerio ryšio proveržis: net per turbulencijas perduoti duomenys beveik neprarasti

    Lazerio ryšio proveržis: net per turbulencijas perduoti duomenys beveik neprarasti

    Mokslininkai pademonstravo, kad lazerio spinduliu atviroje erdvėje galima perduoti informaciją net tada, kai atmosferos turbulencija smarkiai iškraipo patį spindulio vaizdą. Eksperimente duomenys buvo perskaityti beveik be klaidų, nors vėjas, temperatūrų skirtumai ir oro srautai paprastai sukelia ryšio trikdžius.

    Iki šiol tokioms problemoms spręsti dažniausiai pasitelkiamos adaptyviosios optikos sistemos: jos matuoja iškraipymus ir realiu laiku koreguoja signalą. Tai veikia, bet kainuoja brangiai, reikalauja sudėtingos įrangos ir didelės skaičiavimo galios, ypač kai sąlygos greitai kinta.

    Kodavimas topologijoje

    Šį kartą pasirinkta kitokia kryptis: informacija koduota ne įprastais šviesos parametrais, tokiais kaip intensyvumas ar spalva, o į topologinę šviesos struktūrą. Topologija aprašo savybes, kurios išlieka net ir deformuojant objektą, todėl idėja paprasta: tegul turbulencija iškraipo vaizdą, bet „nepanaikina“ pačios struktūros.

    Tyrimui pasitelktos sudėtingos struktūros, siejamos su skyrmionais, o lazerio ryšys patikrintas realiomis sąlygomis tarp dviejų pastatų. Spindulys įveikė 270 metrų atstumą, pakeliui patirdamas aplinkos poveikį, kuris paprastai reikštų ryškų signalo kokybės kritimą.

    Rezultatai: iki 98 proc. tikslumo

    Atvykęs į imtuvą spindulys buvo akivaizdžiai deformuotas, tačiau užkoduota informacija išliko. Daugumoje bandytų sąlygų pasiekta daugiau kaip 98 proc. perdavimo ištikimybė, o esant itin stiprioms turbulencijoms ji siekė apie 86 proc.

    Esminis skirtumas tas, kad imtuvui nereikia taip agresyviai „valyti“ signalo ar nuolat perskaičiuoti korekcijų pagal kintančią atmosferą. Jei metodas pasiteisintų didesniais atstumais ir spartesnėse linijose, tai galėtų sumažinti energijos sąnaudas ir supaprastinti atvirojo optinio ryšio įrangą.

    Kur tai gali praversti?

    Tokios technologijos dažnai siejamos su vadinamuoju laisvos erdvės optiniu ryšiu, kuris laikomas alternatyva ten, kur šviesolaidį tiesti brangu ar nepraktiška. Praktiniai scenarijai apimtų ryšį tarp pastatų, laikiną didelės spartos interneto tiekimą atokiose vietovėse ar greitas jungtis po infrastruktūros pažeidimų.

    Taip pat minima perspektyva palydoviniame ryšyje ir kosmoso misijose, kur svarbus didelis duomenų pralaidumas. Dar viena kryptis – kvantinės komunikacijos ir saugaus ryšio sistemos, kur signalo struktūros stabilumas realiomis sąlygomis yra vienas iš praktinių barjerų.

  • Prinstono fizikai atskleidė netikėtą fotono savybę: tai gali pakeisti plazmos kaitinimą sintezei

    Prinstono fizikai atskleidė netikėtą fotono savybę: tai gali pakeisti plazmos kaitinimą sintezei

    Prinstono plazmos fizikos laboratorijos (PPPL) mokslininkai, matematiškai analizuodami pavienius fotonus, nustatė, kad viena esminių šviesos charakteristikų turi topologinį pobūdį. Paprasčiau tariant, tam tikra fotono savybė išlieka „atspari“ aplinkai ir nepriklauso nuo to, kokiomis sąlygomis šviesa sklinda.

    Rezultatai publikuoti žurnale „Physical Review D“, o autoriai akcentuoja praktinę kryptį: įžvalgos gali būti svarbios kuriant naujus plazmos kaitinimo būdus branduolinei sintezei. Būtent plazmos stabilus įkaitinimas iki itin aukštų temperatūrų laikomas vienu didžiausių sintezės energetikos iššūkių.

    Kas naujo apie fotono poliarizaciją

    Tyrimo centre atsidūrė poliarizacija, nusakanti, kaip fotono elektrinio lauko kryptis „sukasi“ šviesai sklindant. Mokslininkai parodė, kad šis dydis gali būti topologinis, todėl jis nekinta net ir keičiantis terpėms ar sąlygoms, kuriomis fotonas keliauja.

    Ši išvada koreguoja įprastą intuiciją apie tai, kaip šviesos pluoštai gali užpildyti erdvę. Jei fotonai turi vienodą poliarizaciją, jų sklidimas gali būti ribotas taip, kad ne visas erdvės kryptis pavyksta „pasiekti“ vienodai.

    Tyrėjai taip pat peržiūrėjo ilgai kartotą interpretaciją, siejamą su vadinamąja Plaukuotosios sferos teorema. Ji dažnai aiškinta taip, tarsi iš principo nebūtų įmanoma sukurti šviesos šaltinio, kuris vienu metu siųstų fotonus į visas kryptis, tačiau įtraukus elektrinio lauko sukimąsi toks apribojimas, kaip teigiama, nebėra universalus.

    Geba „suskaidyti“ judesį, bet ne fotoną

    Klasikinėje fizikoje įprasta kampinį momentą skaidyti į dvi dalis: sukinį apie ašį ir judėjimą orbita. Tyrėjai pabrėžia, kad masės neturinčioms dalelėms, tokioms kaip fotonai, toks skaidymas nėra toks „švarus“, kaip dažnai laikoma eksperimentinėje praktikoje.

    „Daugelis eksperimentatorių daro prielaidą, kad šviesos kampinį momentą galima atskirti į sukinį ir orbitinį kampinį momentą. Mūsų darbas padeda užbaigti šią diskusiją, parodydamas, kad fotonų kampinio momento taip atskirti negalima“, – sakė vienas tyrimo autorių Ericas Palmerduca.

    Autoriai šiuos rezultatus sieja su dalelių klasifikavimo idėjomis, kurias XX amžiuje išplėtojo Eugene’as Wigneris. Teigiama, kad topologinis požiūris leidžia tiksliau aprašyti masės neturinčias daleles ir išvengti klaidinančių išvadų, kylančių taikant masyvioms dalelėms tinkančius aprašus.

    Kaip tai susiję su branduoline sinteze

    Tyrimo praktinis motyvas susijęs su tokamakais, žiedo formos įrenginiais, skirtais sulaikyti itin karštą plazmą magnetiniais laukais. Mokslininkai siekia geriau suprasti, kaip intensyvūs šviesos pluoštai galėtų būti naudojami sužadinti topologines bangas plazmoje ir taip prisidėti prie kaitinimo ar stabilumo valdymo.

    Topologinės bangos paprastai atsiranda ribose tarp skirtingų sričių, pavyzdžiui, tarp plazmos ir ją supančio vakuumo. Tokios bangos nėra vien teorinis konstruktas: panašių procesų analogijų mokslininkai ieško ir kitose srityse, kur ribiniai reiškiniai lemia ilgalaikę dinamiką.

    „Kaip plaktuko smūgis į varpą priverčia metalą virpėti taip, kad atsiranda garsas, taip mes norime „smogti“ plazmai šviesa, kad ji virpėtų tam tikru būdu ir sukurtų ilgiau išliekantį šilumos palaikymą“, – aiškino Hong Qinas.

    Vis dėlto pabrėžiama, kad ne visos bangos būtų naudingos: dalis jų galėtų skatinti energijos nuostolius ir „išnešti“ šilumą iš plazmos. Todėl kitas žingsnis yra ne tik sukurti bangas, bet ir išmokti selektyviai žadinti tas, kurios padeda, bei slopinti tas, kurios trukdo.

    „Topologinės bangos yra tarsi naujos vabzdžių rūšys: vienos naudingos sodui, kitos yra kenkėjai“, – sakė Hong Qinas.

    Tyrėjai teigia, kad dabar svarbiausia pereiti nuo teorinių išvadų prie eksperimentinių įrankių kūrimo. Jei pavyks tiksliau valdyti šviesos ir plazmos sąveiką tokamake, tai galėtų tapti vienu iš mažų, bet reikšmingų žingsnių link efektyvesnio sintezės plazmos kaitinimo ir stabilesnio energijos išgavimo.