Transmission de données par bruit contrôlé
Pour transmettre plus de signaux que de canaux de transmission disponibles, on utilise des procédés de multiplexage dans la technique de l'information. Des chercheurs de l'ETH Zurich viennent d'inventer un nouveau procédé qui permet de coder des informations dans le bruit corrélé entre des ondes lumineuses séparées dans l'espace.
Afin de transmettre simultanément le plus d'informations possible d'un point A à un point B, les scientifiques et les ingénieurs ont mis au point des méthodes de plus en plus sophistiquées au cours des dernières décennies. Généralement appelées multiplex, ces techniques permettent de transmettre plus de signaux qu'il n'y a de canaux de transmission. La transmission radio sur différentes fréquences en est un exemple typique. Des scientifiques de l'ETH Zurich viennent d'inventer un nouveau procédé de multiplexage basé sur le bruit, c'est-à-dire sur quelque chose que l'on souhaite normalement éviter.
Corrélations dans la double fente
Shawn Divitt, qui a donné l'impulsion au développement de cette nouvelle technique il y a deux ans en tant que doctorant dans le groupe de travail du professeur Lukas Novotny au Département de la technologie de l'information et de l'électrotechnique, avait en fait presque terminé sa thèse de doctorat lorsqu'une idée lui est venue.
Dans une expérience de double fente - un classique de l'histoire de la physique - il avait étudié la manière dont les corrélations entre les ondes lumineuses se forment dans les deux fentes et se répercutent sur le modèle d'interférence. Les corrélations indiquent par exemple dans quelle mesure on peut prédire la phase d'oscillation d'une onde lumineuse si l'on connaît la phase de l'autre onde. Même si les deux phases fluctuent ou "bruissent", elles peuvent le faire de manière plus ou moins synchronisée. Si les corrélations sont fortes, un motif d'interférence bien visible se forme sur un écran derrière les fentes dans l'expérience de la double fente. En revanche, des corrélations faibles font que le motif d'interférence s'estompe ou disparaît complètement.
"L'idée était de généraliser ce principe et de l'utiliser pour coder des informations", explique Divitt. Pour cela, il a calculé les corrélations entre plusieurs ondes lumineuses séparées dans l'espace, transmises par exemple par des fibres optiques en faisceau. "Ce qui est intéressant, c'est que les corrélations existent par paires entre les ondes lumineuses, ce qui fait que le nombre de ces corrélations n'augmente pas de manière linéaire avec le nombre d'ondes lumineuses, mais de manière à peu près quadratique", explique Divitt.
En principe, il devrait donc être possible, par exemple, de coder six bits d'information sous forme de corrélations avec quatre ondes lumineuses, 28 bits avec huit ondes lumineuses, et ainsi de suite. La valeur "1" d'un bit peut alors être représentée par une corrélation positive (bruit synchrone), la valeur "0" par contre par une corrélation négative.
Expérience télécommandée
Sur le papier, ce type de "codage par corrélation" fonctionnait parfaitement. Mais pour s'assurer qu'elle était également réalisable dans la pratique, Divitt a voulu la tester dans une expérience supplémentaire. Problème : Divitt est citoyen américain et son visa a expiré à la fin de son doctorat. Il a donc choisi une voie plutôt inhabituelle. Avant de rentrer aux États-Unis, il a mis en place une expérience dans le laboratoire de Novotny, dans laquelle le codage d'informations dans un faisceau de fibres optiques est simulé à l'aide d'un modulateur spatial de lumière. Pour ce faire, les corrélations des ondes lumineuses dans les fibres optiques simulées sont manipulées en conséquence, puis lues à l'aide d'un modèle d'interférence. De retour aux États-Unis, Divitt a ensuite fait fonctionner l'expérience - au moyen d'une commande à distance par ordinateur. Pendant ce temps, ses collègues de Zurich ont veillé à ce que le montage expérimental soit toujours en bon état.
Divitt a ensuite analysé les résultats dans son bureau à domicile et a constaté que sa méthode fonctionnait réellement. Entre-temps, lui et son directeur de thèse ont déjà déposé un brevet pour cette méthode. "Ce type de recherche est bien sûr un peu inhabituel", explique Novotny. "Elle n'a pu être réalisée que parce que l'ETH met à disposition les espaces de liberté nécessaires pour tester des idées sauvages - même à distance en cas de doute".
Avantages possibles en matière de sécurité
Divitt et Novotny espèrent que leur procédé permettra d'une part d'augmenter encore les capacités de transmission des câbles à fibres optiques. Comme leur méthode ne nécessite pas de lumière laser cohérente, mais fonctionne également avec des sources de lumière normales, elle devrait en outre être moins chère que les technologies conventionnelles. D'autre part, le codage par corrélation pourrait également contribuer à la sécurité des données. Comme les vibrations des ondes lumineuses ne peuvent pas être enregistrées en "temps réel" en raison de leur fréquence élevée, un éventuel auditeur devrait détourner une partie considérable de la puissance lumineuse pour en tirer des modèles d'interférence et intercepter ainsi les informations. Cela se remarquerait immédiatement, ce qui permettrait de démasquer l'espion.
Novotny souhaite à l'avenir explorer davantage les avantages et les applications possibles du codage par corrélation avec un nouveau doctorant. Divitt vit désormais avec sa famille de cinq personnes dans la région de Washington D.C., où il travaille comme chercheur. Il se souvient avec plaisir de son séjour à Zurich et de son expérience télécommandée. La discipline nécessaire pour mener à bien une telle entreprise, il l'a acquise alors qu'il était encore jeune doctorant : "Lorsque je suis entré à l'ETH, nous avions déjà notre premier fils, j'ai donc toujours dû m'organiser dès le début", explique Divitt.