Rappresentazione artistica della dimostrazione delle comunicazioni laser lunari della NASA Immagine per gentile concessione della NASA Quando i laser furono inventati per la prima volta, sono stati chiamati una soluzione alla ricerca di un problema. Tutti pensavano che fossero fighi come il condensato di Bose-Einstein, ma nessuno sapeva esattamente cosa fare con questi dispositivi in grado di produrre un raggio di luce altamente focalizzato.
Oggi, i laser sono diventati una delle tecnologie più importanti al mondo, utilizzato in settori che vanno dalla tecnologia dell'informazione alle telecomunicazioni, medicinale, elettronica di consumo, forze dell'ordine, equipaggiamento militare, intrattenimento e produzione.
Fin dai primi giorni di sviluppo del laser, i ricercatori si sono resi conto che la luce poteva superare la radio in termini di velocità e densità delle informazioni. Si trattava di fisica. Le lunghezze d'onda della luce sono impacchettate molto più strettamente delle onde sonore, e trasmettono più informazioni al secondo, e con un segnale più forte. comunicazioni laser, una volta raggiunto, sarebbe il treno proiettile per la carovana della radio [fonti:Hadhazy; Thomsen].
In un senso, i laser sono stati utilizzati nelle comunicazioni per anni. Trasferiamo informazioni via laser ogni giorno, sia leggendo CD e DVD, la scansione dei codici a barre alle linee di cassa o l'accesso alla dorsale in fibra ottica dei servizi telefonici o Internet. Ora un approccio più diretto, uno che consentirà comunicazioni punto-punto ad alto rendimento -- su grandi distanze, attraverso l'aria o lo spazio, con poca perdita di dati - è all'orizzonte.
È passato un po' di tempo per arrivare qui. Già nel 1964, La NASA ha giocato con l'idea di utilizzare i laser per le comunicazioni aeree. L'idea era di convertire prima la voce di un pilota in impulsi elettrici, poi in un raggio di luce. Un ricevitore a terra invertirebbe quindi il processo [fonte:Science News Letter]. Nell'ottobre 2013, La NASA ha realizzato e superato di gran lunga questa visione quando un'astronave in orbita attorno alla luna ha inviato dati a una stazione terrestre tramite un raggio laser a impulsi - 239, 000 miglia (384, 600 chilometri) di trasmissione a una velocità di download senza precedenti di 622 megabit al secondo (Mbps) [fonte:NASA]. A confronto, i piani dati consumer ad alta velocità sono generalmente misurati in decine di megabit.
E ad alta velocità, ad alta densità è il nome del gioco. Per gran parte della sua storia, La NASA si è impegnata in audaci missioni di esplorazione solo per essere ostacolata dall'equivalente della velocità di download dial-up. Con le comunicazioni laser, l'agenzia sta entrando nell'era dell'alta velocità, aprendo la porta per, tra le altre applicazioni, trasmissioni video di alta qualità dai futuri rover.
La NASA non è sola. I crittografi e gli esperti di sicurezza considerano i laser come un raggio stretto, sistema di consegna quasi istantaneo, mentre la nuova generazione di trader ad alta frequenza a Wall Street è disposta a pagare un sacco di soldi per qualsiasi connettività che possa ridurre di millisecondi i loro tempi di negoziazione. produttori di computer, avvicinandosi ai limiti di ciò che è realizzabile con rame e silicio, stanno anche studiando possibili applicazioni laser.
Quando la velocità è tutto e la luce segna il limite di velocità dell'universo, i laser sono destinati a essere la risposta, se la tecnologia può essere resa pratica.
L'obiettivo delle tecnologie di comunicazione è quello di trasmettere informazioni rapidamente, completamente e accuratamente. Se hai mai cenato con un cafone, allora sai quante poche informazioni può contenere un muro di rumore; se hai mai giocato al telefono, hai sperimentato come il significato possa essere alterato quando viene trasmesso male.
Storicamente, le comunicazioni a lunga distanza hanno moltiplicato queste difficoltà. Trasmissione -- per tamburo, falò, Fumo, bandiera o luce -- prima richiesta la traduzione in un codice necessariamente semplice. I cavi telegrafici e il codice Morse hanno reso possibile una trasmissione complessa ma costosa, ancora una volta rafforzando la virtù della brevità.
La moderna comunicazione elettronica richiede un dispositivo di invio in grado di codificare qualsiasi dato in una forma trasmissibile e un ricevitore in grado di distinguere tra il messaggio (segnale) e l'elettricità statica della linea circostante (rumore). Teoria dell'informazione , un modello matematico introdotto dall'ingegnere statunitense Claude Shannon nel 1948, ha fornito il quadro che alla fine ha risolto questo problema e realizzato tecnologie come il telefono cellulare, Internet e il modem possibili [fonte:National Geographic].
In linea di principio, i sistemi di comunicazione laser assomigliano ai modem che abbiamo usato nelle nostre case dall'avvento di Internet. Modem sta per MODulation-DEModulation, un processo in cui le informazioni digitali vengono convertite in analogiche per la trasmissione, poi di nuovo. I primi modem acustici utilizzavano le onde sonore per la trasmissione su linee telefoniche. I modem ottici si spostano dal suono a una parte dello spettro a frequenza più alta, leggero.
Non è un concetto del tutto nuovo. Dispositivi audiovisivi con audio ottico, come molti lettori DVD, utilizzare un dispositivo simile a un modem chiamato a modulo di trasmissione per convertire i segnali digitali in luce LED o laser, che poi viaggia lungo il cavo in fibra ottica verso un componente di destinazione come un televisore o un ricevitore audio. c'è modulo di ricezione della luce riconverte la luce in un segnale elettrico digitale adatto per altoparlanti o cuffie.
Il proof-of-concept della NASA Dimostrazione di comunicazione laser lunare ( LLCD ), sviluppato dal Lincoln Laboratory del MIT, utilizza un sistema simile, ma rinuncia alla fibra a favore della trasmissione laser attraverso l'aria e lo spazio (a volte chiamata comunicazione ottica nello spazio libero , o UST ). LLCD utilizza tre componenti:
Con il successo dell'esperimento, il futuro delle comunicazioni laser è appena diventato un po' più luminoso, ma esiste un mercato per tale tecnologia al di fuori dell'agenzia spaziale? Scommetti che c'è.
Fibra Ottica Ancora ReFibra ottica, reso pratico per la prima volta dal fisico britannico Harold Hopkins nel 1952, ha gradualmente superato il cavo elettronico poiché la tecnologia è stata migliorata da laser sintonizzabili più precisamente e fibre di qualità superiore. Oggi, è la tecnologia di riferimento per le comunicazioni, almeno fino a quando la comunicazione FSO non diventerà più efficiente ed efficace. La tecnologia, che trasmette i dati utilizzando impulsi luminosi fatti rimbalzare lungo un cavo di vetro o plastica riflettente internamente, può trasportare più informazioni al secondo, per distanze maggiori e senza degrado, di quanto possano fare gli impulsi elettrici lungo i fili di rame [fonte:National Geographic; Thomsen].
Le comunicazioni laser possono essere un vantaggio per l'esplorazione dello spazio, ma attività molto più terrene determineranno il suo destino come tecnologia commerciale.
Prendere, Per esempio, La razza emergente di trader ad alta velocità di Wall Street che sfruttano il potere dell'analisi quantitativa, la velocità della banda larga premium e una molteplicità di microtransazioni per accumulare guadagni un centesimo frazionario alla volta. Per un business costruito su "robo-commercianti, " algoritmi informatici che effettuano operazioni al millisecondo secondo una serie di regole, il tempo di trasmissione è denaro, e i laser sono il gioco più veloce in città [fonti:Adler; Notizie della CBS; Strasburgo].
Per ottenere il massimo da ogni operazione, aziende come Spread Networks hanno investito nella migliore fibra disponibile e hanno tagliato ogni nodo e curva possibile dai tubi di dati che collegano capitali commerciali come Chicago, New York, Londra e Tokyo (ogni miglio in più aggiunge circa otto microsecondi ai dati di andata e ritorno). Quando non era abbastanza veloce, altri gruppi, come McKay Brothers e Tradeworx, mettere da parte le fibre ottiche a favore delle microonde irradiate nell'aria. Sebbene solo un gradino sopra la radio in termini di potenza e velocità, le microonde viaggiano più velocemente nell'aria di quanto la luce passi attraverso le fibre ottiche [fonti:Adler; Strasburgo].
I laser avrebbero potenzialmente le velocità più elevate di tutti; la velocità della luce attraverso l'aria è quasi veloce come nel vuoto, e potrebbe percorrere le 720 miglia (1, 160 chilometri) che separano New York e Chicago in circa 3,9 millisecondi, un viaggio di andata e ritorno (noto anche come latenza) di 7,8 millisecondi, rispetto a 13,0-14,5 millisecondi per i nuovi sistemi in fibra ottica e 8,5-9,0 millisecondi per i trasmettitori a microonde [fonte:Adler].
In ambito sicurezza, i laser e altri sistemi di comunicazione ottica offrono comunicazioni più sicure e i mezzi per intercettarli. La crittografia quantistica sfrutta una proprietà della fisica quantistica, vale a dire, che una terza parte non può rilevare lo stato quantistico della chiave di crittografia fotonica senza alterarla e, perciò, essere rilevato - per stabilire comunicazioni altamente sicure utilizzando fasci di fotoni creati da laser attenuati [fonti:Grant; Waks et al.]. Nell'autunno del 2008, i ricercatori di Vienna hanno iniziato a sperimentare un Internet quantistico basato in parte su questo principio [fonte:Castelvecchi]. Sfortunatamente, i laser sono stati utilizzati anche per intercettare e falsificare tali segnali in modo non quantistico, aggirando così il rilevamento. Le società di crittografia quantistica stanno lavorando per affrontare il problema [fonti:Dillow; Lydersen et al.].
Infatti, i principali inconvenienti delle comunicazioni laser all'interno dell'atmosfera hanno a che fare con l'interferenza della pioggia, nebbia o inquinanti, ma visti i vantaggi della tecnologia, è improbabile che questi problemi fermino il progresso della tecnologia. Così, letteralmente o in senso figurato, il cielo è il limite per le tecnologie di comunicazione laser.
1, 001 Usi per la comunicazione laserLe comunicazioni di dati ad alta velocità possibili tra le reti sono solo la punta dell'iceberg di ciò che è possibile con le comunicazioni laser, molti dei quali derivano dalla mancanza di connessione fisica richiesta. I raggi possono collegare i chip dei computer all'interno dei computer, attraversare terreni e strade senza richiedere il diritto di precedenza o la proprietà, ed essere eretti come reti temporanee durante le battaglie o in condizioni di disastro. Possono fornire ridondanza di rete, collegare le reti ottiche esistenti o avvicinarci all'infrastruttura convergente voce-dati, il tutto ad alta velocità, bassi tassi di errore e immunità ai disturbi elettromagnetici [fonti:Carter e Muccio; Segnare].
Le comunicazioni laser sono un altro ottimo esempio di come vivremo nel futuro, ma assocerò sempre il concetto a un episodio del passato. Durante la Guerra Fredda, Léon Theremin - inventore dell'interlacciamento video e dell'omonimo strumento elettrico sentito in decine di film di fantascienza - ha sviluppato un dispositivo di ascolto basato sulla luce in grado di intercettare a distanza un ufficio (in realtà era un raggio infrarosso a bassa potenza, non un laser). Ha funzionato rilevando le vibrazioni su una lastra di vetro causate dalla pressione sonora generata dalle voci all'interno della stanza bersaglio. I sovietici usarono questo dispositivo, l'antenato dei moderni microfoni laser, per origliare varie ambasciate a Mosca.
