Nya frihetsgrader - OAM
Det ska vara kvantdatorer hit och kvantkommunikation dit, men få har sett någonting praktiskt användbart. Nu finns det.
För ett tjugotal år sedan lyckades nederländska och brittiska forskare ta fram helt nya tekniker för att manipulera vissa egenskaper hos laser- och mikrovågsstrålning så att strålningens informationsinnehåll kunde öka dramatiskt, egenskaper som varit helt okända förut. Som du vet kan radiovågor vara vänstervridet eller högervridet cirkulärt polariserade och det går att sända en höger- och en vänstervriden våg på samma frekvens med olika information. Sen är det stopp.
I och med upptäckten av Orbital Angular Momentum (OAM) kan man teoretiskt tänka sig tiotusentals tumlande frihetsgrader för radiovågen (inte polarisationer) och därmed sända tiotusen gånger så mycket information på en enda radiokanal som tidigare. OAM är inte något som uppfunnits, det har alltid funnits. Vår blick har dock varit slö och vi har inte sett det nya universum som bara ligger och väntar på oss. Det luktar nobelpris lång väg för de forskare som var med att upptäcka hur man kan hanterar OAM och därmed utveckla helt nya, revolutionerande kommunikationstekniker.
Den teoretisk-matematiska bakgrunden är mycket besvärlig, så vi struntar i den. Låt oss istället börja med en analogi. Tänk dig en enkel, rak ledare (fall A). Från en generator i ena änden släpper man likström genom ledaren. Den kan detekteras i andra änden med en lampa. Det är vanlig radio så som den var före OAM. Byt nu ut generatorn mot en trefasgenerator och ta tre raka ledare istället. Resultatet av fasförskjutningarna mellan de tre ledningarna blir ett korkskruvsformat magnetfält som vrider sig i luften kring ledningarna. Det är OAM-komponenten. Fältet kan rotera både med- och moturs och fasföljden kan enkelt detekteras i andra änden med en fasföljdsvisare.
Hur åstadkommer man OAM praktiskt? Det är enklast att tänka sig en laserstråle, en koherent ljusstråle som kommer ur en laser (fall B). Låter man den gå fram genom luften och träffa en CCD-array kommer man att få en rund ljusfläck. Det är det klassiska fallet. Sätter man en mycket speciell glasplatta i dess väg, en sk Spiral Phase Plate uppbyggd som en spiral där plattan vid noll radianer har tjockleken noll och sedan ökar i tjocklek varvet runt tills den, när den nått varvet runt, eller 2π radianer, har tjockleken λ, alltså en våglängd för laserljuset i mediet, i det här fallet glas. Glasets egenskaper kommer att fördröja strålen olika mycket beroende på hur tjock plattan är och där den är λ kommer ljuset att vara en väglängd (2π radianer) fördröjt.
Bilden ovan visar ljusstrålen på dess väg. Överst visas den klassiska bilden av en ljusstråle, en platt vågfront som rör sig framåt, men med OAM tillagt kommer varje ljuspartikel i strålen att rotera fysiskt runt strålens axel, som en korkskruv. Vetenskapen kallar det för ett optical vortex (OV) eller optisk virvel.
Mikrofotografi av den märkliga glasplatta, Sprial Phase Plate, som kan införa, eller detektera, OAM i en laserstråle. I verkligheten är tjockleken naturligtvis inte noll millimeter på tunnaste stället, utan tjockaste stället är helt enkelt en väglängd tjockare än det tunnaste.
Låt nu laserstrålen passera genom ytterligare en precis likadan glasplatta som får representera mottagaren. Resultatet är närmast magiskt (kvantmekaniskt) eftersom bilden på CCD-arrayen nu kommer att se ut som en spiral. En helt reell spiral som kan ses med blotta ögat eller detekteras med bildigenkänning.
Det här har medgett nya metoder för trådlös informationsöverföring, såväl vanlig klassisk kommunikation som kvantkommunikation.
Så här kan man visa en klassisk radiovåg, en plan vågfront som bara kan uppvisa polarisation.
Vad Bo Thidé och hans medarbetare visat att dessa nya kommunikationsmetoder går att använda även i lågfrekeventa radioområdet med hjälp av konventionella antenner och digital radioutrustning (fall C). En enkel, men långt ifrån optimal metod att åstadkomma detta är att ha en cirkel av sändarantenner (tripoler för att man ska kunna skapa alla spinnriktningar) som sänder på samma frekvens, men med någon fasförskjutning så att tripolen vid noll radianer på varvet sänder vågen i fas, medan fasen förskjuts antenn för antenn varvet runt tills den vid tripolen alldeles intill noll radianer, alltså den tripol som representerar 2π radianer, sänder en hel våglängd (λ) ur fas. Det enklaste sättet att åstadkomma detta är att mata de olika antennerna via koaxkablar som bli allt längre varvet runt tills den sista är en hel våglängd längre än för tripolen som representerar noll radianer.
Exakt samma sak händer nu: radiostrålen kommer att vrida sig runt sin egen axel. I det beskrivna fallet har den vridit sig ett varv runt axeln efter en våglängd, vilket är kvantmoden 1. Det går bra att förskjuta vågländen till exempel två eller tre λ varvet runt och då få kvantmoden 2 eller 3. Skulle man vrida strålen åt andra hållet kallas det för kvantmoderna -2 eller -3.
Och så här kan man visa en tumlande radiovåg med OAM.
Och nu kommer det fiffiga. En stråle med kvantmoden 1 och en med moden 2 kan sändas samtidigt från samma antenn på samma frekvens och de kommer inte att interferera eller störa varandra.
I mottagarändan har man en antennarray med tripoler som fångar upp strålningen och med en programvara som är väldigt lik bildigenkänning söker man efter spiralformade mönster. Eftersom det är avancerade datorer med mycket kraft kan man hitta flera spiralmönster i varandra och sålunda detektera flera kvantmoder oberoende av varandra. Mellan en sändare och en mottaggare kan man alltså skicka till exempel 17 medurs och 17 moturs, dvs 34 informationskanaler på samma kanal, utan att de interfererar med varandra. Crosstalk mellan kanalerna är föremål för forskning just nu, men simuleringar visar att det ser bra ut.
Med hjälp av allt mottaget LOIS-data kan man i mjukvara bygga sin egen riktantenn med valfri riktning och valfri kvantmod. Man kan bygga en stor ”parabol” som pekar mot fjärran objekt, eller en liten som pekar mot solen, eller båda samtidigt eftersom man använder samma data i båda fallen. Data distribueras till användare över hela världen som kan bygga sina egna ”antenner”.
OAM och Shannons lag
Hallå! Stopp där! Bryter inte det här mot Shannons lag? Nej. Shannons lag gäller kanalkapacitet. Varje oberoende radiomod svarar mot en kanal. En opolariserad mod har shannondimensionalitet 1. Med polarisation (spinnimpulsmoment) blir samma siffra 2. Var och en av de två kanalerna uppfyller Shannons lag. Det är där radiotekniken står idag. Hittills har man bland radiofolk utgått från att det bara går att generera 2 oberoende kanaler per radiator. Men med OAM kan man generera betydligt fler kanaler, var och en med sin egen Shannon. I maj i år (2010) meddelade nederländska forskare att de med OAM uppnått en shannondimensionalitet på 24 och att man var på god väg att uppnå 50.
Upplösningen kan ökas
Det finns en tumregel som säger att upplösningen för en given antenn inte kan bli bättre än 1,22 gånger våglängden man observerar. Det gälle både optiska- och radioteleskop såväl som för mikroskop. Om man använder sig av OAM-teknik kan man syntetiskt öka upplösningen tio gånger. Bara det är ett stort steg framåt och anledningen till att OAM sannolikt kommer att tas i bruk i radioteleskop världen över.
Nya fenomen
Fysiska virvlar och rörelser ger OAM-avtryck i en radiovåg. Det hela kan användas inom radar. Man kan till exempel tala om en ny typ av dopplerskift. Antag att man spanar på ett flygplan. Rör sig flygplanet mot radarn får man en högre frekvens i ekot än man skickade ut, vilket ger information om den laterala rörelsen, men inte mycket mer.
Genom att analysera OAM kan man se om planet svänger, bankar eller gör någon annan rörelse och kan därmed enkelt plotta flygplanets kurs (och intentioner) från ett enda radareko, istället för som nu behöva beräkna den utifrån flera ekon. Det har ingen kunnat göra hittills. Gissa om DARPA är intresserade av radar med denna egenskap?
Exempel på olika syntetiska antennlober man skulle kunna konstruera i programvara. Den första är tämligen vanlig och är avsedd att riktas mot något avlägset objekt.
Redan i slutet av andra världskriget upptäckte operatörerna till den engelska radarkedjan Chain Home ett irriterande fenomen när målflygplanen närmade sig Solen, nämligen att ekot försvann i störningar. Man trodde först att tyskarna hade hittat på en hemlig störsändare, men det visade sig vara Solen, som är vår starkaste radiokälla. Hela Solen kokar och är full av virvlande plasmamoln. Varje virvel sänder radiostrålning med OAM-information och genom att analysera strålningen kan man se hur virvlarna ser ut. Aktiviteten bland radioastronomer är för närvarande frenetisk med att försöka räkna ut hur mycket OAM en stjärna eller pulsar bör stråla. IRF har redan utvecklat metoder för att se OAM-avtrycket från roterande svarta hål. Stjärnorna har fått ett nytt ”fingeravtryck”:
Det finns annat som virvlar också. Med dagens väderradar kan man bara se fuktmängder i moln, men det går inte att se vartåt fukten är på väg, om den ska bli kvar i molnet eller regna ned. Studerar man OAM-komponenten i radarekot så visar den spår av de virvlar som finns i molnet, fysiska vivlar alltså, så att man kan bygga upp en modell av alla interna luftströmmar i molnet. Därmed kommer meteorologernas prognosarbete att underlättas betydligt, eftersom det går att se vart nederbörden är på väg!
Den andra typen har ett ”känslighetshål” i mitten. Den är avsedd att användas som koronagraf, alltså riktas mot en fjärran stjärna när man vill analysera dess exoplaneter, eller en planet som Jupiter när man vill studera dess månar. Hålet i mitten släcker ut energin från själva stjärnan så man bara detekterar planeterna.
Plasmavirvlar är vanliga i rymden och de är bra radarmål eftersom de är ledande. Med OAM kan man se hur de virvlar. Mottagardelen är ordnad (LOIS), så hur skaffar man en kortvågsradarsändare med OAM-egenskaper? Det behövs ett antal megawatt för att nå till Solen. Lösningen finns närmare än man tror. I Sverige är Hörbysändaren med sin riktbara logperiodiska antenn en väldigt bra kandidat. En anläggning kallad Heating finns i Tromsö, HAARP finns i Alaska, och givetvis teleskopet i Arecibo.
Den stora logperiodiska antennen vid hörbysändaren. Återstår bara att få den att peka rätt upp, men ska visst låta sig göras. I bakgrunden syns Hörbys TV-mast.
De stora radioägarna BBC, Deutsche Welle med flera har funnit att färre och färre är intresserade av kortvågen, eftersom all information finns på Internet idag. De har problem att finansiera sina stora kortvägssändare, som hotas av nedläggning. I Sverige är vi emellertid duktiga på atomklockor. Tillsammans med ett par svenska företag och institut har LOIS funderat ut ett sätt att synka alla Europas kortvågssändare med hjälp av GPS och Internet och få dem att sända i fas, med fel på bara nanosekundnivå. Allt som behövs är nya antenner riktade uppåt, så skulle det hundratal kortvägssändare som finns i Europa kunna användas som en enda syntetisk radarsändare för interplanetärt bruk. Radarn vid Arecibo har visat att man kan uppnå fantastiska resultat med interplanetär radar.
Var och en kan konstruera antennlober av nästan valfritt format. Den här var ju rolig. Undrar vad man ska ha den till?
Men mänskligheten har ett mycket större problem. Radiospektrum, eller bristen på det. Det finns inga flera radiokanaler att dela ut. Staten drar in miljarder på frekvensauktioner på det futtiga utrymme som är kvar. Med OAM-teknik har varje radiokanal plötsligt blivit väldigt många. Eller också kan man överföra mycket mera data per kanal, hur man nu vill se på det.
Dagens fibrer kan överföra OAM-kodat ljus men de är inte optimala för denna nya kommunikationsmetod för de har för mycket OAM-distorsion, men man kan göra nya fibrer som fungerar bättre. Eftersom vi lägger ned nya fibrer dagligen och stundligen är det egentligen ett icke-problem. Exabyte-breda fibrer skymtar vid horisonten.
Dessa nya frihetsgrader har inneburit en formlig revolution inom områden som kvantdatorer, kvantkommunikation och kvantkryptering. Det finns redan idag kommersiella produkter som utnyttjar det senare. Produkterna används bl.a. av banker i Schweiz.
Teleskop på Månen redan planerade
När man nu planerar nästa generations rymdteleskop gäller samma gamla gränser som förut. Teleskopen går inte att göra hur stora som helst, men man vill gärna försöka få ett radioteleskop att verka tio gånger större än det är. ESA har ganska långt framskridna planer på att bygga ett radioteleskop på Månens baksida, dels eftersom man är skärmad från Jordens radiostrålning där, dels eftersom det inte finns någon jonosfär som effektivt avskärmar Jorden från alla frekvenser under 10 megahertz.
Projektet kallas Lunar LOFAR. IRF ansvarar för radiodelen av detta projekt. En farkost avses landa nära Månens sydpol och robotar kommer att bära ut antenner till olika platser. Sydpolen är bra eftersom den alltid syns från Jorden, så man kan använda direkt laserkommunikation. Arbetet rullar på och man förväntar sig att ha det hela på plats om cirka 20 år. Det finns ett helt nytt universum att upptäcka.
Så går du vidare
Institutet för Rymdfysik i Uppsala: www.irfu.se/irfu_swe.htm
LOIS: www.lois-space.net
LOFAR i Holland: www.lofar.org
LOFAR administreras av holländska Astron: www.astron.nl/general/lofar/lofar
LOFAR Wiki: www.lofar.org/operations/doku.php
LOPES: www.astro.ru.nl/lopes
Kortfattad information om vad DARPA förväntar sig i ökat informationsinnehåll hos EM-strålning: http://nanopatentsandinnovations.blogspot.com/2009/12/darpa-information-in-photon-inpho.html
Radioastronomi på det gamla hederliga sättet bedrivs vid Arecibo-teleskopet, som jag besökte 2001: SETI På spaning efter liv i Universum, Nätverk & Kommunikation 2001/05.
Forskningsmålen med LOFAR är många och långtgående. Läs detaljerna på www.lofar.org/astronomy/key-science/lofar-key-science-projects och använd ”Astronomy”-menyn.
NASA och MIT samarbetar om ett radioteleskop på Månens baksida, kallat LARC: http://web.mit.edu/newsoffice/2008/moonscope-0215.html
Sök på Bo Thidé på YouTube så får du ett entimmes föredrag om Orbital Angular Momentum och SETI-forskning.
Early Warning Radar: www.idg.se/2.1085/1.219627/djupdyk-i-ewr---early-warning-radar
Läs flera tunga teknikreportage från Jörgen Städje här på TechWorld.
