В США придумали бездротовий зв'язок без радіо — на перший погляд, це порушує закони фізики

Група американських вчених розробила модель бездротового зв'язку, яка працює без звичного радіосигналу — на тепловому шумі. На перший погляд, вона навіть порушує другий закон термодинаміки, що забороняє отримувати корисну роботу за рахунок тепла без відповідного впливу на навколишнє середовище. Відкриття допоможе створити канали зв'язку там, де використання радіо неможливе або небажане.

Джерело зображення: ШІ-генерація ChatGPT/3DNews

Тепловий шум — це випадкові коливання напруги, що виникають через тепловий рух електронів у провідниках. Він присутній завжди, і для його виникнення не потрібно витрачати додаткову енергію. Вчені поставили питання: чи можна використовувати його для передачі інформації на відстань без активного радіосигналу? Такий підхід знайшов би застосування в випадках, коли будь-які радіоперешкоди небажані, наприклад, поруч з медичним обладнанням, у радіоастрономії та в багатьох інших сферах. І це не кажучи вже про вражаючу енергоефективність подібних рішень.

Для експерименту створили передавач з антеною, яка перемикалася між двома електричними станами: розімкненою та замкненою ланцюгом. Кожному стану відповідав один з двійкових символів — 0 або 1. Перемикання змінювало властивості антени як відбивача: вона по-різному взаємодіяла з тепловим шумом, характеристики якого відрізнялися залежно від того, була ланцюг розімкнена чи замкнена. Умовно це можна уявити як підключення до антени більш холодної або більш гарячої ланцюга за заданим алгоритмом для передачі осмислених даних.

При цьому важливо зазначити, що всі компоненти приймача та передавача мали приблизно однакову температуру, хоча це не означає повної ідентичності теплових шумів в обох ланцюгах. Іншими словами, антена перемикалася між двома різними станами, що призводило до зміни її відбивної здатності. Повне опір ланцюга передавача змінювалося при перемиканні, порушуючи узгодження його антени з приймачем. Останній фіксував це зміна у вигляді слабкого електромагнітного сигналу, що генерувався, по суті, тепловим шумом.

Це не отримання інформації з нічого. Порушення другого закону термодинаміки в цій розробці немає. Деяка кількість енергії витрачається на перемикання ланцюгів передавача, кодування інформації та роботу ланцюгів приймача. Тому навіть при повній відсутності температурного градієнта (перепаду температур) між передавачем і приймачем, що відповідає умовам, розглянутим другим законом термодинаміки, між ними можлива передача інформації.

Для пояснення механізму явища дослідники побудували математичну модель каналу зв'язку, що описує, як електричні характеристики передавача впливають на прийнятий шум і можливість розрізняти передані біти. На основі цієї моделі можна створювати практичні рішення. Використовуючи розроблену модель, команда оптимізувала експериментальну систему та збільшила швидкість передачі даних у 100 разів у порівнянні з попередніми демонстраціями цього підходу.

Можливі сфери застосування включають автономні датчики навколишнього середовища, системи радіочастотної ідентифікації та обладнання, чутливе до електромагнітних перешкод, наприклад, медичні прилади та астрономічні обсерваторії. Передача інформації з використанням теплового шуму може споживати до 1000 разів менше енергії, ніж передача з активним радіосигналом, що відкриває широкі перспективи.

Хочеш дізнатися більше — читай відгуки