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In Licht codierte Daten trotz atmosphärischer Turbulenzen übertragen
Laserlicht wird in der Atmosphäre durch Turbulenzen stark verzerrt und verliert dabei oft die darin codierte Information. Ein Freilandversuch zeigt nun, dass optische Skyrmionen ihre topologische Kennzahl über eine 270 Meter lange Strecke trotz solcher Störungen bewahren. Beim Datentest lag die Übertragungsgenauigkeit meist über 98 Prozent und sank unter den stärksten getesteten Bedingungen auf rund 87 Prozent.
Johannesburg (Südafrika). Freie optische Datenverbindungen könnten hohe Datenraten ohne Glasfaserkabel ermöglichen, doch wechselnde Temperatur- und Druckverhältnisse verformen Laserstrahlen auf ihrem Weg durch die Luft. Besonders empfindlich sind räumlich strukturierte Lichtfelder, bei denen Information beispielsweise in Phase, Polarisation oder räumlichen Mustern steckt. Eine mögliche Alternative sind photonische Skyrmionen, deren entscheidende Information nicht an einer exakten Strahlform hängt.
Forscher der University of the Witwatersrand (Wits) um Prof. Andrew Forbes haben nun untersucht, ob diese topologische Robustheit auch außerhalb kontrollierter Laborexperimente bestehen bleibt, und dafür speziell geformte Laserstrahlen über den Campus in Johannesburg durch natürlich auftretende atmosphärische Turbulenz geschickt. Im Unterschied zu vielen bisherigen Ansätzen wurde die Störung weder vorher vermessen noch mit adaptiver Optik oder einer nachträglichen Korrektur ausgeglichen.
Ein optisches Skyrmion besitzt eine räumlich veränderliche Polarisation, deren Zustände sich mathematisch auf einer sogenannten Poincaré-Kugel abbilden lassen, wobei die Skyrmion-Zahl N beschreibt, wie oft diese Abbildung die Kugel umspannt. Diese topologische Kennzahl soll bei glatten Verformungen erhalten bleiben, selbst wenn die sichtbare Lichtverteilung stark verändert wird.
„Um den Vorteil zu erklären, können wir es damit vergleichen, wie eine Kaffeetasse in die Form eines Donuts umgeformt werden kann“, erklärt Prof. Andrew Forbes.
Für den Test erzeugte das Team mit einem 532-Nanometer-Laser Skyrmionen mit den Werten N = 1, 2 und 3 und schickte sie zu einem rund 135 Meter entfernten Spiegel auf einem gegenüberliegenden Gebäude, sodass das Licht auf Hin- und Rückweg insgesamt 270 Meter durch die Atmosphäre lief. Am Empfänger erfasste eine polarisationssensitive Kamera sechs Polarisationsprojektionen, aus denen die Forscher die topologische Kennzahl rekonstruierten.
Die Messungen fanden morgens, mittags und am späten Nachmittag statt und deckten damit deutlich unterschiedliche Turbulenzstärken ab, wobei Intensitätsprofil und Polarisation mittags besonders stark verzerrt waren. Trotzdem blieben die rekonstruierten Skyrmion-Zahlen nahe an den jeweils codierten Werten, sodass die drei topologischen Zustände weiterhin voneinander unterschieden werden konnten.
Auch längere Messzeiten zerstörten die topologische Kennzahl nicht, obwohl der gemessene Polarisationsgrad beim Mitteln von Einzelaufnahmen über bis zu 240 Millisekunden von etwa 0,84 auf etwa 0,39 sank. Die Skyrmion-Zahl blieb für N = 1, 2 und 3 dennoch nahezu unverändert. Das Experiment nutzte klassisches Licht, weshalb eine Anwendung auf Quantenzustände bislang eine aus der mathematischen Analogie abgeleitete Perspektive ist und in diesem Freilandversuch nicht direkt demonstriert wurde.
Um die Robustheit als Informationskanal zu testen, codierte das Team ein dreifarbiges Bild Südafrikas, wobei die drei Farben den Skyrmion-Zahlen 1, 2 und 3 entsprachen. Morgens wurde das Bild mit 98,70 Prozent Treue rekonstruiert und am Nachmittag mit 98,60 Prozent, während die Treue unter der stärksten Mittagsturbulenz auf 86,93 Prozent fiel und die Regionen des Bildes dennoch erkennbar blieben.
Die Methode kommt damit ohne eine laufende Vermessung und Korrektur des atmosphärischen Kanals aus und könnte optische Freiraumverbindungen vereinfachen, wenn künftige Sender und Empfänger topologische Zustände schnell und zuverlässig erzeugen und auslesen können. Die Autoren sehen mögliche Anwendungen