Vue d'artiste de la démonstration de communications laser lunaire de la NASA Image reproduite avec l'aimable autorisation de la NASA Lorsque les lasers ont été inventés, on les appelait une solution à la recherche d'un problème. Tout le monde pensait qu'ils étaient aussi cool que le condensat de Bose-Einstein, mais personne ne savait trop quoi faire de ces appareils capables de produire un faisceau de lumière très focalisé.
Aujourd'hui, les lasers sont devenus l'une des technologies les plus importantes au monde, utilisé dans des secteurs allant des technologies de l'information aux télécommunications, Médicament, électronique grand public, forces de l'ordre, équipement militaire, divertissement et fabrication.
Dès les premiers jours du développement du laser, les chercheurs ont réalisé que la lumière pouvait surpasser la radio en termes de vitesse et de densité de l'information. Il s'agissait de physique. Les longueurs d'onde lumineuses sont beaucoup plus serrées que les ondes sonores, et ils transmettent plus d'informations par seconde, et avec un signal plus fort. Communications laser, une fois atteint, serait le train à grande vitesse au train de wagons de la radio [sources :Hadhazy; Thomsen].
Dans un sens, les lasers sont utilisés dans les communications depuis des années. Nous transférons quotidiennement des informations par laser, que ce soit en lisant des CD et des DVD, scanner des codes-barres aux lignes de caisse ou exploiter la dorsale à fibre optique des services téléphoniques ou Internet. Maintenant, une approche plus directe, celui qui permettra une communication point à point à haut débit - sur de vastes distances, par l'air ou l'espace, avec peu de perte de données - est à l'horizon.
Ça fait un moment que j'arrive ici. Dès 1964, La NASA a caressé l'idée d'utiliser des lasers pour les communications aériennes. L'idée était de convertir d'abord la voix d'un pilote en impulsions électriques, puis dans un faisceau lumineux. Un récepteur au sol inverserait alors le processus [source :Science News Letter]. En octobre 2013, La NASA a réalisé et dépassé de loin cette vision lorsqu'un engin en orbite autour de la lune a envoyé des données à une station terrestre via un faisceau laser pulsé -- 239, 000 milles (384, 600 kilomètres) de transmission à un taux de téléchargement inédit de 622 mégabits par seconde (Mbps) [source :NASA]. Par comparaison, Les forfaits de données haut débit grand public sont généralement mesurés en dizaines de mégabits.
Et à grande vitesse, la haute densité est le nom du jeu. Pendant la majeure partie de son histoire, La NASA s'est engagée dans des missions d'exploration audacieuses pour n'être entravée que par l'équivalent de vitesses de téléchargement commutées. Avec les communications laser, l'agence entre dans l'ère du haut débit, ouvrir la porte pour, entre autres applications, transmissions vidéo de haute qualité des futurs rovers.
La NASA n'est pas seule. Les cryptographes et les experts en sécurité considèrent les lasers comme un faisceau étroit, système de livraison quasi-instantané, tandis que la nouvelle génération de traders à haute fréquence à Wall Street est prête à payer beaucoup d'argent pour toute connectivité qui peut réduire de quelques millisecondes leur temps de négociation. Fabricants d'ordinateurs, proche des limites de ce qui est réalisable avec le cuivre et le silicium, recherchent également des applications laser possibles.
Quand la vitesse est tout et que la lumière marque la limite de vitesse de l'univers, les lasers sont forcément la réponse - si la technologie peut être rendue pratique.
Le but des technologies de la communication est de transmettre l'information rapidement, complètement et précisément. Si vous avez déjà dîné avec un rustre, alors vous savez combien peu d'informations un mur de bruit peut contenir; si vous avez déjà joué au jeu au téléphone, vous avez expérimenté comment le sens peut être mutilé lorsqu'il est mal relayé.
Historiquement, les communications à longue distance ont multiplié ces difficultés. Transmission -- par tambour, feu, fumée, flag ou light -- première traduction requise dans un code nécessairement simple. Les câbles télégraphiques et le code Morse rendaient possible une transmission complexe mais coûteuse, encore une fois en imposant la vertu de brièveté.
La communication électronique moderne nécessite un dispositif d'envoi capable de coder n'importe quelle donnée sous une forme transmissible et un récepteur capable de distinguer le message (signal) de la ligne statique environnante (bruit). Théorie de l'information , un modèle mathématique mis au point par l'ingénieur américain Claude Shannon en 1948, a fourni le cadre qui a finalement résolu ce problème et a fait des technologies comme le téléphone portable, Internet et le modem possible [source :National Geographic].
En principe, les systèmes de communication laser ressemblent aux modems que nous utilisons dans nos maisons depuis l'avènement d'Internet. Modem signifie MODulation-DEModulation, un processus dans lequel l'information numérique est convertie en analogique pour la transmission, puis de nouveau. Les premiers modems acoustiques utilisaient des ondes sonores pour la transmission sur les lignes téléphoniques. Les modems optiques passent du son à une partie du spectre à plus haute fréquence, léger.
Ce n'est pas un concept entièrement nouveau. Dispositifs audiovisuels avec audio optique, comme de nombreux lecteurs DVD, utiliser un appareil semblable à un modem appelé module de transmission pour convertir les signaux numériques en lumière LED ou laser, qui se déplace ensuite le long d'un câble à fibre optique jusqu'à un composant de destination tel qu'un téléviseur ou un récepteur audio. Là un module de réception de lumière reconvertit la lumière en un signal électrique numérique adapté aux haut-parleurs ou aux écouteurs.
La preuve de concept de la NASA Démonstration de communication laser lunaire ( LLCD ), développé par le Lincoln Laboratory du MIT, utilise un système similaire, mais se passe de la fibre au profit de la transmission laser dans l'air et l'espace (parfois appelée communication optique en espace libre , ou OFS ). LLCD utilise trois composants :
Avec le succès de l'expérience, l'avenir des communications laser vient de s'éclaircir, mais existe-t-il un marché pour une telle technologie en dehors de l'agence spatiale ? Vous pariez que oui.
La fibre optique toujours reineLa fibre optique, rendu pratique pour la première fois par le physicien britannique Harold Hopkins en 1952, progressivement dépassé le câble électronique à mesure que la technologie était améliorée par des lasers plus précisément réglables et une fibre de meilleure qualité. Aujourd'hui, c'est la technologie de prédilection pour les communications - du moins jusqu'à ce que la communication de l'OFS devienne plus efficace et efficiente. La technologie, qui transmet des données à l'aide d'impulsions lumineuses renvoyées le long d'un câble en verre ou en plastique réfléchissant à l'intérieur, peut transporter plus d'informations par seconde, pour des distances plus longues et sans dégradation, que les impulsions électriques le long des fils de cuivre [source :National Geographic; Thomsen].
Les communications laser peuvent être une aubaine pour l'exploration spatiale, mais des poursuites bien plus terrestres détermineront son destin en tant que technologie commerciale.
Prendre, par exemple, La race émergente de traders à grande vitesse de Wall Street qui tirent parti de la puissance de l'analyse quantitative, la vitesse du haut débit premium et une multiplicité de microtransactions pour accumuler des revenus un centime à la fois. Pour une entreprise bâtie sur des "robo-traders, " des algorithmes informatiques effectuant des transactions en millisecondes selon un ensemble de règles, le temps de transmission c'est de l'argent, et les lasers sont le jeu le plus rapide en ville [sources :Adler; Nouvelles de CBS ; Strasbourg].
Pour tirer le meilleur parti de chaque transaction, des entreprises comme Spread Networks ont investi dans la meilleure fibre disponible et ont coupé chaque pli et courbe qu'elles pouvaient des tuyaux de données reliant les capitales commerciales comme Chicago, New York, Londres et Tokyo (chaque kilomètre supplémentaire ajoute environ huit microsecondes aux allers-retours de données). Quand ce n'était pas assez rapide, d'autres groupes, comme McKay Brothers et Tradeworx, mis de côté les fibres optiques au profit des micro-ondes diffusées dans l'air. Bien que seulement un cran au dessus de la radio en termes de puissance et de vitesse, les micro-ondes voyagent plus vite dans l'air que la lumière ne traverse les fibres optiques [sources :Adler; Strasbourg].
Les lasers afficheraient potentiellement les vitesses les plus rapides de toutes; la vitesse de la lumière dans l'air est presque aussi rapide que dans le vide, et pourrait parcourir les 720 milles (1, 160 kilomètres) séparant New York et Chicago en environ 3,9 millisecondes - un aller-retour (alias latence) de 7,8 millisecondes, contre 13,0-14,5 millisecondes pour les nouveaux systèmes à fibre optique et 8,5-9,0 millisecondes pour les émetteurs micro-ondes [source :Adler].
Dans le domaine de la sécurité, les lasers et autres systèmes de communication optique offrent des communications plus sécurisées et les moyens de les écouter. La cryptographie quantique tire parti d'une propriété de la physique quantique - à savoir, qu'un tiers ne peut pas détecter l'état quantique de la clé de chiffrement photonique sans l'altérer et, donc, être détecté -- pour établir des communications hautement sécurisées à l'aide de faisceaux de photons créés par des lasers atténués [sources :Grant; Waks et al.]. A l'automne 2008, des chercheurs de Vienne ont commencé à expérimenter un Internet quantique basé en partie sur ce principe [source :Castelvecchi]. Malheureusement, les lasers ont également été utilisés pour intercepter et usurper ces signaux de manière non quantique, contournant ainsi la détection. Les sociétés de chiffrement quantique s'efforcent de résoudre le problème [sources :Dillow ; Lydersen et al.].
En réalité, les principaux inconvénients des communications laser dans l'atmosphère sont liés aux interférences de la pluie, brouillard ou polluants, mais étant donné les avantages de la technologie, il est peu probable que ces problèmes arrêtent les progrès de la technologie. Donc, au propre ou au figuré, le ciel est la limite pour les technologies de communication laser.
1, 001 utilisations pour la communication laserLes communications de données à haut débit possibles entre les réseaux ne sont que la pointe de l'iceberg quant à ce qui est possible avec les communications laser, dont beaucoup découlent du manque de connexion physique requise. Les faisceaux peuvent connecter des puces informatiques dans des ordinateurs, traverser des terres et des routes sans exiger de droit de passage ou de propriété, et être érigés en réseaux temporaires pendant les batailles ou en cas de catastrophe. Ils peuvent assurer la redondance du réseau, connecter des réseaux optiques existants ou nous rapprocher d'une infrastructure voix-données convergente - le tout avec un haut débit, faibles taux d'erreur et immunité aux interférences électromagnétiques [sources :Carter et Muccio; Délimiter].
Les communications laser sont un autre excellent exemple de la façon dont nous vivons dans le futur, mais j'associerai toujours le concept à un épisode du passé. Pendant la guerre froide, Léon Theremin - inventeur de l'entrelacement vidéo ainsi que de l'instrument électrique homonyme entendu dans des dizaines de films de science-fiction - a développé un dispositif d'écoute basé sur la lumière capable de mettre sur écoute à distance un bureau (c'était en fait un faisceau infrarouge de faible puissance, pas un laser). Il fonctionnait en détectant les vibrations sur une vitre causées par la pression acoustique générée par les voix dans la pièce cible. Les Soviétiques ont utilisé cet appareil, l'ancêtre des microphones laser modernes, d'écouter diverses ambassades à Moscou.
