Источник изображения: ИИ-генерация ChatGPT/3DNews

Тепловой шум — это случайные колебания напряжения, возникающие из-за теплового движения электронов в проводниках. Он присутствует всегда, и для его возникновения не нужно тратить дополнительную энергию. Учёные задались вопросом: можно ли использовать его для передачи информации на расстояние без активного радиосигнала? Такой подход нашёл бы применение в случаях, когда любые радиопомехи нежелательны, например рядом с медицинским оборудованием, в радиоастрономии и во многих других областях. И это не говоря о впечатляющей энергоэффективности подобных решений.

Для эксперимента создали передатчик с антенной, который переключался между двумя электрическими состояниями: разомкнутой и замкнутой цепью. Каждому состоянию соответствовал один из двоичных символов — 0 или 1. Переключение изменяло свойства антенны как отражателя: она по-разному взаимодействовала с тепловым шумом, характеристики которого различались в зависимости от того, была цепь разомкнута или замкнута. Условно это можно представить как подключение к антенне более холодной или более горячей цепи по заданному алгоритму для передачи осмысленных данных.

При этом важно отметить, что все компоненты приёмника и передатчика имели примерно одинаковую температуру, хотя это не означает полной идентичности тепловых шумов в обеих цепях. Иными словами, антенна переключалась между двумя различными состояниями, что приводило к изменению её отражающей способности. Полное сопротивление цепи передатчика менялось при переключении, нарушая согласование его антенны с приёмником. Последний фиксировал это изменение в виде слабого электромагнитного сигнала, генерируемого, по сути, тепловым шумом.

Это не получение информации из ничего. Нарушения второго закона термодинамики в этой разработке нет. Некоторое количество энергии расходуется на переключение цепей передатчика, кодирование информации и работу цепей приёмника. Поэтому даже при полном отсутствии температурного градиента (перепада температур) между передатчиком и приёмником, что соответствует условиям, рассматриваемым вторым законом термодинамики, между ними возможна передача информации.

Для объяснения механизма явления исследователи построили математическую модель канала связи, описывающую, как электрические характеристики передатчика влияют на принимаемый шум и возможность различать переданные биты. На основе этой модели можно создавать практические решения. Используя разработанную модель, команда оптимизировала экспериментальную систему и увеличила скорость передачи данных в 100 раз по сравнению с предыдущими демонстрациями этого подхода.

Возможные области применения включают автономные датчики окружающей среды, системы радиочастотной идентификации и оборудование, чувствительное к электромагнитным помехам, например медицинские приборы и астрономические обсерватории. Передача информации с использованием теплового шума может потреблять до 1000 раз меньше энергии, чем передача с активным радиосигналом, что открывает широкие перспективы.

Источник изображений: Xona Space Systems

Идея создания сервиса, конкурирующего с государственными системами навигации, может показаться авантюрной. Однако компания Xona рассчитывает пополнить список сфер, где венчурные стартапы разрушают сложившуюся государственную монополию — в данном случае в области космической навигации и синхронизации времени.

Компания Xona была основана в 2019 году группой из пяти инженеров, познакомившихся во время обучения в аспирантуре по специальности «аэрокосмическая техника». Один из них, Тайлер Рид (Tyler Reid), получил докторскую степень, посвятив свою диссертацию возможностям использования спутников на низкой околоземной орбите для повышения точности навигации.

Как пишет TechCrunch, системы GPS и аналогичные спутниковые сети, созданные Европой, Китаем и Россией, приносят огромную пользу. Однако они уязвимы для подавления и помех, а их точности недостаточно для автономного использования в таких сферах, как сельскохозяйственная робототехника или беспилотные автомобили. Будущие основатели Xona Space Systems задались вопросом: можно ли превратить решение этих проблем в успешный бизнес?

«Моей первой реакцией было: "Это глупость". Зачем кому-то заменять GPS? Ведь это бесплатный сервис, верно? Но я начал глубже изучать вопрос. Люди воспринимают GPS как бесплатную услугу, однако рынок — это не сама услуга, а оборудование. Ежегодно продаются миллиарды устройств, и их никто не раздаёт бесплатно. Существует огромный рынок, который остро нуждается в более качественных характеристиках», — рассказал генеральный директор Xona Брайан Мэннинг (Brian Manning) в ходе недавнего визита журналистов TechCrunch в штаб-квартиру компании.

Путь к запуску такого сервиса оказался непростым. Одной из технических сложностей стало создание системы, дополняющей GPS за счёт более мощного сигнала, обеспечивающего повышенную точность определения времени и координат. Компании предстояло разработать уникальную архитектуру, позволяющую спутникам поддерживать точное время без использования дорогостоящих бортовых атомных часов. Решение основывалось на близости космических аппаратов к Земле и постоянной связи с наземными эталонными источниками данных.

Ещё одной технической задачей, которую успешно решила компания, стало обеспечение совместимости сигналов с существующими GPS-приёмниками. Для этого требовалась лишь относительно простая модификация программного обеспечения. Это открывает для Xona прямой доступ на рынок и упрощает прохождение разрешительных процедур, необходимых для передачи навигационных сигналов.

В конце этого месяца ракета-носитель SpaceX должна вывести на орбиту шесть спутников компании Xona. Четыре из них аналогичны прототипу, запущенному компанией в прошлом году для проверки работоспособности технологии. Эти аппараты созданы на базе спутниковой платформы от Aerospace Labs. Два других спутника были полностью изготовлены силами самой Xona в её штаб-квартире в Берлингейме, штат Калифорния. Они должны стать основой будущей рабочей группировки Pulsar, которая будет состоять из 258 спутников.

Система Pulsar обеспечит точность определения местоположения на уровне сантиметров (в отличие от метровой точности GPS), а мощность её сигнала позволит принимать его даже внутри зданий и в условиях плотной городской застройки. По мнению Мэннинга, сигнал также обладает достаточной мощностью, чтобы противостоять попыткам глушения или подмены данных (спуфинга).

Xona сможет приступить к бета-тестированию Pulsar с участием реальных клиентов, как только спутники выйдут на орбиту и начнут проходить над средними широтами примерно восемь раз в сутки. По словам Иэна Гофа (Ian Gough), генерального директора компании TimeBeat (специализирующейся на системах точного отсчёта времени), первый пилотный проект Xona позволит инженерам его компании проверять и корректировать временные параметры, обеспечиваемые их устройствами по всему миру. К 2028 году Xona рассчитывает обеспечить полное спутниковое покрытие для США, Европы, Японии и Южной Кореи.

Несмотря на то что у нового сервиса могут быть миллиарды потенциальных пользователей, Xona также смотрит в будущее, в котором всё большую роль играют автономные системы. Рид, автор научной работы, вдохновившей на создание компании, и её нынешний технический директор, ранее занимался разработкой беспилотных автомобилей в Ford. Он пришёл к выводу, что сервис вроде Pulsar необходим для полной реализации потенциала автономных транспортных средств самых разных типов.

В разговоре с TechCrunch Мэннинг отметил, что «всех видов массового транспорта гражданская авиация является эталоном безопасности. Мы видим, что компания Xona и наши разработки способны сыграть в этом важную роль — обеспечить автомобили таким сервисом, который позволит вам убрать руки с руля и чувствовать себя в такой же безопасности, как в кресле авиалайнера».

С момента основания Xona привлекла от венчурных инвесторов чуть более $300 млн, включая $20 млн от Космических сил США. Хотя компания ориентирована на предоставление коммерческих услуг, правительство США также проявляет явный интерес к этой технологии, поскольку случаи глушения и подмены сигналов спутниковой навигации в ходе военных конфликтов становятся всё более частыми.