南アフリカのウィットウォータースランド大学（Wits University）とフランスのボルドー大学（University of Bordeaux）の研究チームは、最近、複雑な補正システムを必要とせずに、乱流に満ちた大気を通過する光学データを送信し、データの完全性を保持することに成功した、世界初のレーザー実験を完了しました。この成果は、長距離光通信の技術構造を根本的に変える可能性があり、高価な適応光学機器への依存を減少させることが期待されています。
地球の大気は常に光通信の最大の障害です。冷たい空気と暖かい空気が交錯し、光信号は伝送過程で歪み、散乱し、干渉を受けます。従来の自由空間光通信（Free-Space Optical Communication, FSO）システムは、大気による歪みを継続的に測定し、ハードウェアを介して動的に修正する必要があり、ようやく読めるデータを復元することができます。この新しい研究は、全く異なるアプローチを提案しています——歪み自体を無視することです。
トポロジー構造が光ビームに「隠れた鎧」を提供
研究チームは、数学のトポロジーの原理を利用して、データを「スカーミオン」（skyrmions）と呼ばれる準粒子の磁気構造にエンコードしました。トポロジーは、物体が引き伸ばされたり、歪められたり、変形したりしても変わらない性質を研究します。ウィット大学の構造光実験室の所長であるアンドリュー・フォーブス教授は、コーヒーカップとドーナツの例を挙げて説明しました。「二つは形が全く異なりますが、どちらも一つの穴を持っています。どのように引き伸ばしたり歪めたりしても、この根本的な特性は変わりません。光ビームも同様に深刻に歪むことがありますが、そのトポロジー情報は変わりません。」
チームは、ヨハネスブルグのウィット大学西キャンパスにある二つの建物の間に、270メートルの自由空間光学リンクを設置し、スカーミオンにエンコードされたレーザービームを実際の環境の熱気流、風、そして大気ノイズを通過させました。光ビームが受信端に到達したとき、その外観は深刻に歪んでいましたが、内包されているトポロジーデータは無傷でした。ほとんどの状況で、データ伝送の忠実度は98％を超え、極端な乱流環境下でも86％の精度を維持しました。
応用範囲は宇宙ミッションと遠隔地ネットワークを含む
光ファイバーケーブルは外部の干渉を遮断し、光の色、強度、偏光状態を保護しますが、非誘導のオープンな光伝送は信号が環境によって破壊されやすくなります。従来のFSOシステムは、大気による損傷を即座に計算し修正する必要があり、受信端は明瞭な信号を読み取るために動的なハードウェア調整が必要です。新しい方法を採用することで、トポロジー構造自体が大気の擾乱に耐えることができ、受信機は光ビームを事前にクリーンアップすることなく、エンコードされた内容を直接読み取ることができます。
この技術が大規模に応用されれば、長距離光学ネットワークのエネルギーと計算の要求を低減することが期待されます。具体的な応用範囲には、深宇宙探査ミッション、高速衛星ダウンリンク、量子暗号通信が含まれます。地上での応用においては、新技術がデジタルデバイドを縮小するのに役立ち、高価な光ファイバーケーブルを敷設することなく、農村や遠隔コミュニティに空中から直接送信される高速インターネットサービスを提供できる可能性があります。この研究成果は、学術雑誌『Science Advances』に発表されました。