Et forskerhold fra Stanford har fået trådløs kommunikation med termisk støj op i kilobit pr. sekund. Resultatet er mere end hundrede gange hurtigere end tidligere demonstrationer, skriver holdet i en artikel offentliggjort online i PNAS den 20. oktober. Metoden udnytter små elektriske udsving frem for en særskilt, aktivt produceret bærebølge.

Arbejdet leverer også en fysisk model for forbindelsen. Den skal forklare, hvordan modtageren kan skelne oplysninger fra baggrundsstøj, selv om apparaterne befinder sig ved samme temperatur. Forskerne er Geneva Ecola, Jida Zhang, Joseph M. Kahn og Zerina Kapetanovic.

Støjen bliver selve beskeden

Stanford præsenterede forskningen den 19. oktober. Ifølge universitetets beskrivelse byggede holdet et afskærmet forsøgsrum med en sender og en modtager. Senderen skifter mellem elektriske tilstande, som repræsenterer nuller og ettaller. Modtageren registrerer ændringer i den støj, der kommer tilbage fra antennen.

Forklaringen handler om støjtemperatur: Et mål for støjens styrke, som ikke er det samme som apparatets almindelige temperatur. Modtagerens forstærker og senderens skiftende refleksion skaber en kontrast, der kan aflæses. Forsøget kræver derfor ikke, at forskerne fysisk varmer den ene enhed op og køler den anden ned.

Det er en nyttig forskel at holde fast i. Udtrykket termisk støj kan få teknologien til at lyde som en lille varmemaskine. Oplysningerne ligger imidlertid i ændringer, som en følsom modtager måler. At fjerne behovet for en aktiv bærebølge betyder heller ikke, at hele systemet fungerer uden strøm.

Fra langsomt forsøg til en model for kapaciteten

Den nye PNAS-artikel beskriver, hvordan kredsløbets elektriske belastning påvirker den støjeffekt, modtageren ser. Forskerne bruger modellen til at beregne kommunikationskanalens kapacitet. Den afhænger blandt andet af målingens båndbredde og kontrasten mellem senderens tilstande.

Holdet anvender desuden polarkoder, en metode til kodning af information, og rapporterer, at systemet kan nå den forventede kapacitet. Det nye bidrag er således både en hurtigere demonstration og en beregningsmæssig ramme for at forbedre teknologien. Artiklen henviser også til offentligt tilgængelige data og kode for figurerne.

Idéen blev demonstreret allerede i 2022

Et tidligere PNAS-studie af Kapetanovic, Miguel Morales og Joshua R. Smith blev offentliggjort den 29. november 2022. Her beskrev forskerne kommunikation ved at koble en modstand til og fra en antenne. Demonstrationen opnåede op til 26 bit i sekundet og afstande op til 7,3 meter.

Det studie forklarer også forskellen fra almindelig tilbagekastning af radiosignaler. Et RFID-lignende system kan sende information ved at ændre refleksionen af en allerede tilstedeværende radiobølge. Forsøget med Johnson-støj, som termisk støj også kaldes, behøvede ikke en sådan ekstern radiokilde.

Den tidlige prototype havde stadig elektronik til at styre skiftene og forstærkere på modtagersiden. Forskerne demonstrerede desuden en sender med solenergi og en superkondensator. Batterifri drift var altså et spørgsmål om energiforsyning, ikke et bevis på energifri kommunikation. Det er relevant, når den nye metodes mulige strømfordele skal vurderes.

Små målinger er et mere oplagt mål end videostreaming

Stanford fremhæver miljømålinger og andre anvendelser med små datamængder som mulige mål. Holdet undersøger nu forbindelser med flere sendere og drift uden for det afskærmede forsøgsrum. Begge dele er nødvendige skridt mod brug i mere støjende omgivelser.

En enkelt måleværdi kan være nyttig, selv om den kun sendes med mellemrum. For den type opgave kan et lavt energibehov have større betydning end høj hastighed. Men vurderingen skal omfatte både sender, modtager, afstand og pålidelighed. Et fuldt energiregnskab skal derfor følge med. En hurtigere laboratorieforbindelse siger ikke alene, hvor længe en færdig sensor kan fungere.

Det centrale fremskridt er, at forskerne nu har en forklaring, der kan bruges til at designe næste forsøg. Om teknologien bliver praktisk anvendelig, afhænger af, hvor godt den målte kontrast kan bevares, når flere enheder og den omgivende verdens radiostøj kommer med i billedet.

Kilder og videre læsning

Har du fundet en fejl? Læs om rettelser.