Daten im Rauschen

Um möglichst viele Informationen gleichzeitig von A nach B zu übertragen, haben Wissenschaftler und Ingenieure in den letzten Jahrzehnten immer ausgefeiltere Methoden entwickelt. Allgemein als Multiplex­verfahren bezeichnet, erlauben diese Techniken, mehr Signale zu übermitteln, als Übertragungs­kanäle vorhanden sind. Wissenschaftler der ETH Zürich haben nun eine neues Multiplex­verfahren erfunden, das auf Rauschen basiert – also auf etwas, das man normalerweise eigentlich vermeiden möchte.

Shawn Divitt, der als Doktorand in der Arbeitsgruppe von Lukas Novotny am Departement Informations­technologie und Elektro­technik vor zwei Jahren den Anstoß zur Entwicklung der neuen Technik gab, war eigentlich schon fast mit seiner Doktor­arbeit fertig, als ihm eine Idee kam. In einem Doppelspalt-Experiment hatte er untersucht, wie sich Korrelationen zwischen den Licht­wellen in den beiden Spalten bilden und auf das Interferenz­muster auswirken. Korrelationen sagen etwas darüber aus, wie gut man zum Beispiel die Schwingungs­phase einer Licht­welle vorhersagen kann, wenn man die Phase der anderen Welle kennt. Auch wenn beide Phasen fluktuieren oder „rauschen“, so können sie dies doch auf mehr oder weniger synchronisierte Weise tun. Sind die Korrelationen stark, so bildet sich im Doppelspalt-Experiment ein gut sichtbares Interferenz­muster auf einem Schirm hinter den Spalten. Schwache Korrelationen lassen das Interferenz­muster dagegen verblassen oder ganz verschwinden.

„Die Idee war, dieses Prinzip zu verallgemeinern und damit Informationen zu kodieren“, erklärt Divitt. Dazu berechnete er die Korrelationen zwischen mehreren räumlich getrennten Licht­wellen, die zum Beispiel durch gebündelte Glasfasern übertragen werden. „Das Interessante dabei ist, dass die Korrelationen paarweise zwischen den Lichtwellen bestehen, wodurch die Zahl dieser Korrelationen nicht linear mit der Anzahl der Lichtwellen ansteigt, sondern in etwa quadratisch“, sagt Divitt.

Im Prinzip sollte es daher zum Beispiel möglich sein, mit vier Lichtwellen sechs Bits an Information in Form von Korrelationen zu kodieren, mit acht Lichtwellen 28 Bits, und so fort. Der Wert „1“ eines Bits kann dann durch eine positive Korrelation (synchrones Rauschen), der Wert „0“ dagegen durch eine negative Korrelation dargestellt werden.

Auf dem Papier funktionierte diese Art der „Korrelations-Kodierung“ perfekt. Um sicher zu gehen, dass sie auch praktisch umsetzbar war, wollte Divitt sie jedoch zusätzlich in einem Experiment testen. Das Problem dabei: Divitt ist amerikanischer Staatsbürger, und sein Visum lief mit Ende seines Doktorats aus. Also ging er einen eher ungewöhnlichen Weg. Vor seiner Rückreise in die USA baute er in Novotnys Labor ein Experiment auf, in dem mit Hilfe eines räumlichen Licht­modulators die Kodierung von Informationen in einem Glas­faser­bündel simuliert wird. Dazu werden die Korrelationen der Licht­wellen in den simulierten Glasfasern entsprechend manipuliert und danach mit Hilfe eines Interferenz­musters ausgelesen. Zurück in den USA, liess Divitt das Experiment dann laufen – mittels Computer-Fernsteuerung. Kollegen in Zürich sorgten derweil dafür, dass der experimentelle Aufbau immer in Schuss war.

Die Ergebnisse analysierte Divitt anschließend und stellte fest, dass seine Methode tatsächlich funktionierte. Mittlerweile haben er und sein Doktorvater bereits ein Patent dafür eingereicht. „So eine Art von Forschung ist natürlich schon etwas ungewöhnlich“, sagt Novotny dazu. „Sie war auch nur machbar, weil die ETH die entsprechenden Freiräume bereitstellt, um auch mal wilde Ideen zu testen – im Zweifelsfall sogar aus der Ferne.“

Von ihrem Verfahren versprechen sich Divitt und Novotny einerseits die Möglichkeit, die Übertragungs­kapazitäten von Glas­faser­kabeln noch weiter zu erhöhen. Da ihre Methode kein kohärentes Laserlicht voraussetzt, sondern auch mit normalen Licht­quellen funktioniert, sollte sie zudem auch billiger sein als konventionelle Technologien. Andererseits könnte die Korrelations-Kodierung auch zur Daten­sicherheit beitragen. Da die Schwingungen von Lichtwellen aufgrund ihrer hohen Frequenz nicht in „Echtzeit“ aufgenommen werden können, müsste ein etwaiger Lauscher einen beträchtlichen Teil der Licht­leistung abzweigen, um daraus Interferenzmuster zu gewinnen und die Informationen damit abzufangen. Das wiederum würde sofort auffallen, womit der Lauscher enttarnt wäre.

ETH Zürich / DE