Как дыра во времени может замаскировать информацию

Хотя делать объекты невидимыми в пространстве мы уже научились, эффективная маскировка информации во времени далась в исследовательские руки совсем недавно.

В разных средах свет распространяется с разной скоростью. Пользуясь этим очевидным фактом, учёные довольно давно освоили трюк, выглядящий как искусственное создание временного перерыва в световом луче, который на самом деле доставил ровно столько же информации, как если никогда не прерывался. Однако поскольку его свет был на время просто замедлен, затем, у приёмника сигнала, луч восстанавливался, словно ничего не случилось.

До сих пор луч «ломался» лишь на считанные пикосекунды (триллионные доли секунды). То есть для практических целей этого не очень-то хватит.

Новые исследователи под руководством Джозефа Люкенса (Joseph Lukens) из Университета Пердью (США) использовали тот же общий подход для луча света в оптическом волокне. Когда устройство с варьируемой скоростью распространения световых волн задействовано, сигнал в оптоволокне в значительной степени временно исчезает — примерно для половины полосы пропускания света, что позволяет осуществлять скрытую передачу данных на скорости до 12,7 гигабит в секунду.

Представленная работа основывается на эффекте Тэлбота, в котором рассеивание света на дифракционной решётке приводит к кажущемуся возникновению повторяющихся изображений решётки на некоторых заранее заданных расстояниях от неё. Однако здесь используется скорее обратная часть этого эффекта: на ряде других дистанций, которые можно указать до начала работы устройства, интенсивность света, рассеиваемого решёткой, падает до нуля. Ключевая сложность заключалась в том, чтобы использовать эффект Тэлбота не в пространстве, а во времени. Для воздействия на свет применялся фазовый модулятор — волновод, к которому прикладывается напряжение, по мере изменения которого скорость распространения света в волноводе меняется. Благодаря модулированию удаётся без потерь закодированной информации разложить свет на «порции». Между ними и создаются искусственные «дыры во времени», в которые идёт передача информации, но внешне всё выглядит так, будто никакой передачи нет. Длительность «дыр во времени», продемонстрированная группой г-на Люкенса, достигла 36 пс, что значительно больше, чем в предшествующих опытах, и уже достаточно для начала практической маскировки передаваемых импульсов.

Применив комбинацию фазовых модуляторов и устройств рассеивания лучей, авторы начали работать со световым пучком в диапазоне 1 541–1 543 нм, превратив его в одиночный высокоинтенсивный импульс точно посредине этого диапазона — на 1 542 нм. Когда свет попал в набор оборудования, ориентированный в обратном направлении, его первоначальное распространение было восстановлено.

Как это можно использовать?

При кодировании сигнала обычными методами свет в канале будет изменять свою частоту между высокой и низкой. Такой сигнал можно представить себя как синусоиду, бегущую от низкой энергии сигнала к высокой. Но когда маскирующее луч во времени устройство включено, со стороны эти волны будут казаться тонущими в шуме. Разумеется, при приёме сигнала фазовым модуляторам придётся подвергнуть световые импульсы обратной обработке, поскольку только после этого станет возможным чтение полученной информации.

По расчётам разработчиков, 46% всей информации удаётся передавать по оптоволокну замаскированным. Однако, настаивают учёные, используя в той же схеме три фазовых модулятора, этот результат можно удвоить, достигнув 90% от полосы пропускания и удвоив пропускную спонтанность для замаскированной части луча.

Бóльшая часть использованного экспериментаторами оборудования — это стандартное оснащение для оптоволоконных линий, включая технику для частотной модуляции. Таким образом, предложенный метод маскировки трафика после ряда доводок может быть использован без существенных изменений в аппаратном обеспечении нынешних оптоволоконных линий связи.

Отчёт об исследовании опубликован в журнале Nature.

Подготовлено по материалам Университета Пердью.