Фізики вперше виявили нову форму безладу, здійснивши експеримент. Тут йдеться про хаотичні коливання плато лазерного світла, що наступають через спеціальні форми затриманого зворотного зв’язку. Цей ламінарний безлад відносно стійкий щодо перешкод, через що його можна використовувати в комунікативній техніці, криптографії та перенесенні даних.
Замість типових високочастотних коливань інтенсивності лазерного світла (зверху) фізики створили нову форму хаосу – ламінарний хаос, що проявляється у поведінці плато. Зображення: Radons et al. /Universität Chemnitz.
Повсякчас ми використовуємо термін хаос, щоб описати непередбачувані, нерегулярні та заплутані структури або процеси. У фізиці все ж говорять про безлад або хаотичні системи, коли вони хоч і узгоджуються з певним чітким законом, але в результаті найменших перешкод або впливів починають поводитися зовсім інакше. Ця чутливість робить системи непередбачуваними. Класичний приклад – метелик махає крилами, зумовлюючи бурю на великій відстані.
Такі хаотичні стани наступають і щодо лазерного світла, коли має місце затримка зворотного зв’язку вихідного сигналу. Їх помічали у високочастотних хаотичних коливаннях лазерного світла – вони відомі впродовж 40 років.
Проте вчені з Хемніцького університету (Німеччина) на чолі з Ґюнтером Радонсом (Günter Radons) ще кілька років тому теоретично доводили, що цей так званий ламінарний хаос проявляється не лише у високочастотних коливаннях, а й у послідовності плато лазерної інтенсивності. Ці плато хоч і періодичні у своїй послідовності, але їхня інтенсивність при переході від одного до іншого варіюється хаотично, пояснили фізики. Дотепер залишалося відкритим питання, чи ця теоретично передбачена поведінка може проявитися під час експериментів.
Це вперше практично підтвердили Радонс і його команда спільно з ученими на чолі з Джозефом Гартом (Joseph Hart) з Мерілендського університету. Для свого експерименту вчені за допомогою спеціальної схеми створили періодичну варіацію затриманого в часі зворотного зв’язку у лазерній системі. Це призвело до того, що, як і сподівалися, виникли характерні плато ламінарного безладу, повідомили вчені.
«Наші результати доводять: ламінарний безлад може виникати в системі вищого порядку, – констатували Гарт та його колеги. – Він сильно контрастує з типовим сильним турбулентним безладом, якому властиві сильні коливання». Крім того, експеримент засвідчив, що ламінарний безлад, на відміну від турбулентних його форм, суттєво стійкіший до перешкод.
Опто-електронні експериментальні установки для дослідження хаосу (зверху) та схематичні експериментальні установки з лазерним діодом, модулятором Маха-Цендера, фотоприймач і ПКВМ. Зображення: Rajarshi Roy/ David Müller-Bender, Andreas Otto und Günter Radons.
Так учені підтвердили нову форму безладу. Ламінарний хаос може бути навіть практично корисний – зокрема в сучасних інформаційних технологія, пояснили Радонс та його колеги. Адже зі своєю варіативністю щодо висоти плато та міцністю проти впливів ця форма сигналу пригодиться, зокрема, для перенесення даних. Погана передбачуваність хаотичної динаміки може стати в пригоді при реалізації захищеної від прослуховування оптичної комунікації.
Ламінарний хаос можна застосувати і в так званих резервуарних обчисленнях. При цьому йдеться про систему машинного навчання, коли мережі у своїх зв’язках і своєю структурою динамічно реагують на інформацію, що надходить. Такі системи в майбутньому можуть удосконалити здатність до навчання та «інтелект» комп’ютерної системи й нейронних мереж.
Nadja Podbregar
Neue Form des Chaos nachgewiesen
Technische Universität Chemnitz, 29/10/2019
Зреферувала С. К.
31.10.2019