Это дает огромные возможности: ученые смогли завязать узлом свет

Американские инженеры из Университета Дьюка впервые создали стабильные структуры из света, получившие название "оптические узлы". Эти трехмерные образования, напоминающие клубящиеся дымовые кольца, обладают огромным потенциалом для кодирования и передачи информации совершенно новым способом.  

Носитель информации

Оптический узел формируется в результате точной интерференции нескольких лазерных лучей со строго определенными параметрами. В точке их пространственного пересечения возникает сложная интерференционная картина, образующая узел. Уникальность этой структуры заключается в том, что в самом "завязанном" состоянии света может быть закодирована информация, что открывает перспективы для создания высокоскоростных и защищенных каналов связи. 

Проблема недолговечности

Первоначальные теоретические расчеты вселяли надежду на высокую устойчивость таких оптических узлов, предполагая, что они смогут сохранять свою форму и целостность даже при прохождении через сложные среды. Однако экспериментальная проверка показала обратное: в условиях сильной турбулентности, например, при прохождении через потоки воздуха, структура оптического узла подвергается значительным искажениям. 

В ходе экспериментов ученые наблюдали, как под воздействием турбулентных потоков воздуха сложная конфигурация узла, состоящая из трех "витков", деформировалась, превращаясь в более простые структуры с двумя или даже одним витком. Эта деформация приводила к потере закодированной в структуре узла информации, что ставило под сомнение практическую применимость технологии в реальных условиях. 

От проблемы – к решению

Для максимально точной имитации условий распространения света в реальной атмосфере команда инженеров разработала компактную экспериментальную установку, размером сравнимую с обычным тостером. Внутри этой установки размещалась нагретая пластина и система вентиляторов, которые создавали контролируемые турбулентные потоки воздуха. 

Чтобы смоделировать прохождение светового луча на значительные расстояния – до 300 метров – использовалась система многократных отражений от высокоточных зеркал. Полученные результаты наглядно продемонстрировали прямую зависимость между интенсивностью турбулентности среды и стабильностью оптического узла. Чем сильнее были воздушные возмущения, тем быстрее и сильнее искажалась световая структура, приводя к потере закодированной информации. Однако ученые не остановились на констатации проблемы. 

“Завязать узел” сильнее

В ходе дальнейших исследований они обнаружили эффективный способ повышения устойчивости оптических узлов к воздействию турбулентности. Ключом к решению оказалась модификация формы исходных лазерных лучей путем добавления большего количества изгибов и "завитков" в структуру узла. Увеличение сложности формы оптического узла привело к тому, что даже при частичных искажениях, вызванных турбулентностью, сохранялось достаточное количество опорных точек, по которым можно было восстановить исходную конфигурацию узла и, следовательно, извлечь закодированную информацию. 

Дальнейшие исследования будут направлены на оптимизацию формы оптических узлов и разработку более совершенных методов их создания и детектирования. Ученые надеются, что в будущем эта технология найдет применение в различных областях, включая высокоскоростную оптическую связь, квантовые вычисления и создание новых типов оптических сенсоров.