Нейтринная связь: как это работает и что обещает

В рамках эксперимента физикам удалось передать информацию с помощью частиц нейтрино. Очевидно, что пока "нейтринному телеграфу" далеко до практического применения. Тем не менее, перспективы огромны.

14 марта 2012 года случилось событие, сравнимое с изобретением радиосвязи: ученые из американской Национальной ускорительной лаборатории им. Энрико Ферми (FermiLab) смогли передать информацию с помощью частиц нейтрино. Пока это первый сложнейший эксперимент, далекий от практического применения. Но теперь есть уверенность, что развитие технологии нейтринной связи совершит революцию в области коммуникаций и кардинально изменит мир.

Неуловимые

Нейтрино – это совершенно уникальная частица, к сожалению, пока малоизученная.

Частица нейтрино похожа на электрон, но имеет важное отличие: у нее нет электрического заряда. Благодаря этому на нейтрино не влияют электромагнитные поля. Современной физике известны четыре типа взаимодействия: гравитационное, электромагнитное, сильное (связывает нейтроны и протоны) и слабое. На нейтрино влияют лишь очень слабые субатомные силы, имеющие гораздо меньшую дальность, чем электромагнетизм - меньше размера атомного ядра. Гравитация, как самое слабое из четырех взаимодействий, также не оказывает значительного воздействия на нейтрино с околонулевой массой. Таким образом, уникальные свойства нейтрино позволяют им проходить сквозь практически любые препятствия и преодолевать большие расстояния.

Нейтрино - это одни из самых распространенных частиц во Вселенной. Большинство нейтрино образовались около 15 миллиардов лет назад, вскоре после рождения Вселенной. С этого момента Вселенная непрерывно расширяется и охлаждается, а нейтрино просто продолжают свой бесконечный полет. Другие нейтрино постоянно производятся в реакторах атомных электростанций, ускорителях частиц, ядерных взрывах, во время рождения, гибели звезд и т.д.

Приемники, передатчики

Нейтрино везде: миллиард этих всепроникающих частиц пронзают человека каждую секунду. Но из-за способности проходить сквозь любую материю нейтрино очень трудно поймать с помощью детекторов научных приборов. Хорошо «ловятся» только высокоэнергетические нейтрино, но их на Землю попадает слишком мало – большинство «теряются» еще в космосе. Но даже и с менее энергичными частицами не все так просто: из миллиардов частиц нейтрино лучшие современные детекторы обнаруживают лишь одну.

Нам повезло, что есть вещества-сцинтилляторы, способные задерживать хотя бы это небольшое количество высокоскоростных нейтрино, например, изотоп хлор-37 или галлий. Так, при столкновении нейтрино с ядром атома хлора образуется электрон и радиоактивный аргон. Это вещество используется при изучении нейтрино, которые испускает Солнце. Также для обнаружения нейтрино используется и обычная хорошо очищенная вода: частица сталкивается с атомом воды и «вышибает» из него электрон, оставляющий в воде светящийся след, так называемое Черенковское излучение.

Инжектор NuMi

Увы, но взаимодействие нейтрино все равно настолько редки, что требуется строить очень большие приемники с десятками тысяч литров вещества-ловушки. В своем эксперименте ученые Fermilab использовали главный инжектор проекта NuMI, дающий самый мощный в мире пучок нейтрино. Установка каждые 2,2 секунды производит импульсы длиной 1,8 микросекунды, выбрасывающие протоны с энергией 120 ГэВ. Протонный пучок ударяет в мишень из углерода, в результате чего образуются множество пионов, каонов и других частиц. Почти все пионы и каоны распадаются на нейтрино, которые летят в том же направлении, куда был первоначально направлен протонный пучок, т.е. в строну детектора (приемника).

Детектор MINERvA

В эксперименте по нейтринной коммуникации поток нейтрино пролетел 1035 метров (причем 240 из них – сквозь сплошную скальную породу) к детектору MINERvA, расположенному в подземной пещере на глубине около 100 метров.

Все оборудование MINERvA представляет собой огромное сооружение весом в 170 тонн. Основная часть приемника относительно компактна: 5х2,1 метра. Центральная часть состоит из «пачки» в 120 модулей с различными сцинтиляторами (He, C, Fe, Pb, H2O, CH). Свечение, образующееся в результате взаимодействия сцинтиляторов с нейтрино, регистрируется с помощью чувствительных фотоприемников и передается по оптоволоконным кабелям к фотоэлектронным умножителям.

Детектор MINERvA способен регистрировать воздействие одного нейтрино каждые 8 секунд, что на сегодня является очень хорошим показателем, но это пока слишком мало для разговора о полноценной высокоскоростной нейтринной связи. При этом для фиксации используется не только набор сложнейшего оборудования, но и соответствующее программное обеспечение, способное выделить нейтринное событие.

Передача информации

Для передачи информации был использован простейший метод кодирования сигнала: отсутствие протонного пучка это «0», а его включение – «1». Это очень примитивный метод, особенно если учесть, что для регистрации нейтринных событий и обработки данных требуется некоторое время. Таким образом, возможности регистрации не космического нейтрино пока не очень велики и требуют длительной передачи.

На рисунке 1 видно, что для передачи данных использовался пучок нейтрино без модуляции. Черной линией обозначена передача данных, а пунктирной – процесс Пуассона, который используется для моделирования потока космических частиц.

В ходе эксперимента было также важно отличить нейтрино из инжектора NuMI от космических нейтрино. Поэтому был выбран наиболее простой и легко интерпретируемый метод передачи, хотя и не самый эффективный.

Структура сообщения показана на рисунке 2а. Для первой в истории нейтринной передачи информации было выбрано сообщение из 8 букв – слово «нейтрино» (neutrino). Каждая буква этого слова была зашифрована 5-битным кодом, полученным удалением первых двух (левых) битов в стандартном 7-битном коде ASCII. В результате получилось 40-битное сообщение, которое затем было закодировано с помощью свёрточного кода, предназначенного для исправления возможных ошибок, возникающих во время передачи информации. Код имел длину кодового ограничения равную 7, что соответствует стандартам связи НАСА и ЕКА. Это увеличило размер сообщения до 92 бит. Затем был добавлен псевдошумовой сигнал синхронизации – еще 64 бит. Итого: слово из 8 букв поместилось в 156-битное сообщение (кадр), которое повторялось на протяжении всего эксперимента.

Инжектор-передатчик NuMI отправлял пучкок нейтронов с интервалами 2,2 секунды между каждым и суперциклом в 61,267 секунды. Приемник, детектор MINERvA, на протяжении 142 минут эксперимента сделал 3454 записей.

Надо подчеркнуть, что особенности нейтрино и инжектора-передатчика заставили ученых выбрать самый простой и не очень быстрый метод дешифровки сигнала и исправления ошибок приема. Фактически, это объединение нескольких передач, когда кадры (в нашем случае слово «нейтрино) синхронизируются для сравнения структуры битов и замены поврежденной информации.

На рисунке 3 видна статистика синхронизации кадров. Кружками отмечены правильно реконструированные сообщения. Некоторые кадры получить не удалось из-за прекращения работы инжектора или детектора. Таким образом, передача сообщения была подтверждена на основании расшифровки и синхронизации 2 из 15 полученных кадров.

Теоретические расчеты процесса Пуассона показывают, что при 5 кадрах 99% передаваемых бит декодируются правильно. А полное отсутствие ошибок наблюдается при синхронизации 9 кадров. В реальном эксперименте каждый кадр передавался с точностью 78%. Это хорошо видно на рисунке 2в, где изображен один кадр (сообщение со словом «нейтрино»): в верхней части зелеными и белыми полосками показаны переданные биты информации, внизу – принятые.

Синхронизация нескольких таких кадров позволяет реконструировать кадр и заполнить прорехи, появившиеся в результате различных помех. В принципе детектор MINERvA может регистрировать в среднем 0,81 нейтринное событие на каждый импульс из 2,25×1013 нейтрино. Выглядит ничтожно мало, но, тем не менее, при выбранном кодировании сообщения (сигнал получен это «1», не получен – «0») за два кадра можно добиться точности передачи битов в 99%. В любом случае, в обсуждаемом эксперименте не стояла задача добиться максимальной скорости передачи, а лишь опытным путем доказать возможность нейтринной связи. Но потенциал более скоростного соединения есть даже при примитивных методиках кодирования.

Схема эксперимента по нейтринной связи

Для данного эксперимента максимальная теоретическая скорость передачи данных 0,37 бит/импульс инжектора. То есть, например, для получения точности 99% при передаче 40 бит информации нам нужно сделать две серии по 92 импульса – итого 184. На практике скорость передачи в два раза ниже: около 0,22 бит/импульс.

Как было написано выше, инжектор NuMi может выдавать импульс каждые 2,2 секунды, а значит, для текущего эксперимента скорость передачи данных была равна около 0,11 бит в секунду. По сравнению с современными беспроводными сетями, способными передать мегабайты данных за секунду, нейтринная связь работает очень медленно. Но не забываем, что ни один радиопередатчик не способен послать сигнал сквозь 240 м скальной породы, а для нейтринного – потенциально и Юпитер с Солнцем вместе взятые не являются препятствием.

Применение

Возможность коммуникаций с помощью нейтрино начала активно обсуждаться учеными с конца 1960-х годов. Прежде всего, нейтринная связь интересовала военных – им нужен надежный способ связи с подлодками, которые находятся на большой глубине. Сегодня для этих целей используются радиостанции, работающие в диапазоне очень низких частот (3—30 кГц). Радиоволны этого диапазона проходят сквозь воду на глубину до 20 м, и таким образом подлодка может получить от командования приказы, находясь под водой. Однако строительство низкочастотного радиопередатчика – это очень сложное дело, поскольку требуется построить антенну для радиоволны длиной около 3,6-3,9 км. Длина такой антенны должна быть около 2 км, а вес составляет сотни тонн. Например, антенный комплекс российской станции связи с подлодками «Антей» (расположена вблизи г. Вилейка, Беларусь) весит 900 т. На этом фоне нейтринный приемопередатчик, возможно, вызывающий ироничную усмешку у скептиков, выглядит компактным прибором, весящим «всего» десятки тонн. В общем, сейчас инженеры используют различные ухищрения, вроде электродов, зарытых в землю и использующих ее в качестве антенны. Но в любом случае низкочастотные передатчики слишком уязвимы для ударов противника, обеспечивают скорость передачи данных до 100 кб/сек и потребляют очень много электроэнергии с низким КПД. Буксируемые антенны, установленные на подлодке, тоже имеют большую длину, к тому же они работают только на прием и для двусторонней связи все равно нужно использовать спутник-ретранслятор. Нейтринная связь может решить эту проблему, ведь нейтрино легко проходят сквозь толщу воды и корпус подлодки. Возможность связи с командованием без необходимости всплытия существенно повысит надежность морской компоненты ядерного щита.

Нейтринные приемопередатчики решат, наконец, проблему связи с космическими аппаратами: с ними можно будет связаться, даже если они закрыты от Земли другой планетой.

Также нейтринная связь может повлиять и на гражданские коммуникации: нейтринный сигнал проходит сквозь толщу Земли приблизительно на 20 миллисекунд быстрее, чем радиосигнал, направленный через спутники-ретрансляторы.

Но, пожалуй, главное, что открывает нам прорыв в нейтринной связи – это возможность слушать Вселенную в совершенно новом диапазоне. Некоторые ученые, в том числе и из Fermilab, считают, что связь между высокоразвитыми цивилизации ведется именно с помощью нейтрино. Дело в том, что ни одно электромагнитное сообщение не способно пересечь всю галактику: оно неизбежно будет уничтожено мощными помехами, «заглохнет» в облаках пыли, отразится от планет, «утонет» в глубине звезды и т.д. В то же время нейтрино способны проделать этот путь и доставить послание. Пока для участия в гипотетических галактических нейтринных коммуникационных сетях у человечества недостаточно высокий уровень технологий. Прежде всего, нам надо научиться генерировать и модулировать сверхмощные нейтронные пучки, а также создать детекторы, способные улавливать 60 и более процентов нейтрино, а не одну штуку из триллионов. Возможно, с развитием нанотехнологий нам это удастся.

Михаил Левкевич