Учёные в США создали беспроводную связь на тепловом шуме без радиосигнала

Группа учёных из США представила модель беспроводной связи, которая обходится без традиционного радиосигнала. Вместо него для передачи данных используется тепловой шум — случайные колебания напряжения, возникающие из-за теплового движения электронов в проводниках. Этот шум существует всегда и не требует дополнительных затрат энергии на своё появление.

Для эксперимента исследователи собрали передатчик с антенной, которая переключалась между двумя состояниями — разомкнутой и замкнутой цепью. Каждому состоянию соответствовал один из двоичных символов, 0 или 1. При переключении менялись свойства антенны как отражателя и её взаимодействие с тепловым шумом, что меняло полное сопротивление цепи передатчика и нарушало согласование с приёмником. Приёмник фиксировал эти изменения как слабый электромагнитный сигнал, по сути порождённый самим тепловым шумом.

Важная деталь: все элементы приёмника и передатчика находились примерно при одной температуре. На первый взгляд может показаться, что такая схема нарушает второй закон термодинамики, который запрещает получать полезную работу из тепла без воздействия на окружающую среду. На самом деле нарушения нет — энергия всё равно расходуется, но на переключение цепей передатчика, кодирование информации и работу приёмных цепей, а не на создание самого сигнала.

Чтобы объяснить механизм явления, команда построила математическую модель канала связи, описывающую, как электрические характеристики передатчика влияют на принимаемый шум и способность различать переданные биты. На основе этой модели исследователи оптимизировали экспериментальную систему и увеличили скорость передачи данных в 100 раз по сравнению с прежними демонстрациями подобного подхода.

Почему это важно

Такая технология может пригодиться там, где радиопомехи недопустимы или крайне нежелательны — рядом с чувствительным медицинским оборудованием, в радиоастрономии и других областях, где важна электромагнитная чистота среды. Среди возможных применений — автономные датчики окружающей среды, системы радиочастотной идентификации и оборудование, уязвимое к электромагнитным помехам.

Отдельное преимущество подобной связи — энергоэффективность. По оценке авторов разработки, передача информации с использованием теплового шума может потреблять до 1000 раз меньше энергии, чем передача с активным радиосигналом. Это открывает перспективы для создания устройств, которым не нужен мощный источник питания для поддержания связи.