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Decine di terabit in un secondo: i fisici creano le tecnologie del futuro

© Sputnik . Mile GuL'“indovino del futuro”
L'“indovino del futuro” - Sputnik Italia
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I dispositivi basati sulla fotonica con il tempo sostituiranno quasi completamente quelli elettronici a cui siamo abituati, affermano convinti gli scienziati.

Collegamento senza fili alla velocità di decine di terabit al secondo, elaborazione di dati alla velocità di decine di gigabit al secondo, ologrammi che ricreano immagini tridimensionali “in aria”: questi sono gli obiettivi a breve termine della fotonica contemporanea. Sputnik ha intervistato gli scienziati dell’Università nazionale russa di ricerca nucleare MEPHI i quali hanno presentato le più avanzate soluzioni tecnologiche russe che consentiranno di accelerare lo sviluppo in questo settore.

L’elettronica tradizionale è obsoleta?

La fotonica è la branca della scienza che opera sui processi di emissione e registrazione della luce, nonché sulle variazioni delle sue proprietà. I dispositivi alla base della fotonica non riguardano soltanto la fibra ottica e i CD, ma anche una serie di altri dispositivi. Il XXI secolo è il secolo della fotonica: di questo sono convinti gli scienziati del Laboratorio di fotonica e di elaborazione ottica delle informazioni in seno alla Facoltà di Fisica laser presso l’Istituto di tecnologie laser e al plasma dell’Università nazionale russa di ricerca nucleare MEPHI.

Secondo gli scienziati, tra 10-20 anni la fotonica consentirà l’accadimento di una vera e propria rivoluzione degli obsoleti sistemi tecnologici, nonché la comparsa di sistemi radicalmente rinnovati e innovativi. Anzitutto, vi saranno collegamenti digitali universalmente accessibili a una velocità di diversi terabit al secondo, sistemi di elaborazione di dati con una capacità di decine di gigabit al secondo, nonché display gigapixelati bidimensionali, tridimensionali e olografici.

I vantaggi chiave delle tecnologie fotoniche vanno rintracciati nelle proprietà stesse della luce. Come spiegano gli scienziati dell’Università nazionale russa di ricerca nucleare MEPHI, i segnali ottici presentano una frequenza di vibrazioni peculiare di mille volte superiore ai segnali radio. Ciò significa che i loro parametri possono essere modificati molto più rapidamente. Grazie a questo, la gamma di frequenze emesse dal segnale luminoso è estremamente ampia: ad esempio, mediante un unico canale ottico è possibile trasmettere in una sola volta un segnale su tutte le frequenze radio.

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“Con la trasmissione di segnali luminosi è possibile creare suddivisioni spaziali bi e tridimensionali che consentono di presentare i dati, mentre con i segnali elettronici gli spazi creabili sono monodimensionali. I sistemi fotonici sono diverse volte più rapidi ed efficienti dal punto di vista energetico rispetto ai loro predecessori elettronici che utilizziamo oggi”, spiega Rostislav Starikov, docente dell’Università MEPHI.

Video olografici, la realtà del futuro

Già oggi le tecnologie di creazione del segnale luminoso consentono di registrare e riprodurre un video olografico. Tuttavia, secondo gli scienziati dell’Università MEPHI, questi sistemi sono ancora costosi e incompleti e, prima di garantire una implementazione di massa di queste soluzioni, è necessario risolvere una serie di problemi. Nello specifico, vi sono difficoltà legate alla riproduzione rapida di ologrammi, nonché la loro trasmissione sulle relative reti di collegamento digitale.

Le metodologie di trasmissione e riproduzione rapida dei video tridimensionali a partire da ologrammi digitali sono in fase di elaborazione presso la Facoltà di Fisica laser dell’Università MEPHI grazie al patrocinio del Fondo di ricerca russo (RNF). Gli scienziati sono convinti che i lavori in questo campo renderanno i sistemi olografici commerciali di video tridimensionali uno strumento abituale già verso la metà degli anni 2030.

“Abbiamo proposto e testato con successo una nuova metodologia di presentazione sdoppiata di ologrammi digitali che consente di ricodificarli in una forma più consona alla trasmissione, nonché metodologie innovative per la loro compressione che superano di gran lunga gli approcci analoghi e garantiscono comunque un grado accettabile di perdite in termini di qualità delle immagini finali”, osserva Pavel Cheyomkhin, giovane scienziato e direttore delle ricerche in questo ambito, nonché docente presso l’Università MEPHI.

Quali i vantaggi della radio fotonica?

Un altro ambito interessante è la fotonica microonde, o radiofotonica, che indaga le potenzialità di trasmissione ed elaborazione dei segnali radio con l’ausilio della luce. Questi sistemi superano di gran lunga i tradizionali sistemi radio per livello di immunità alle interferenze, rumore prodotto e dimensioni. E, aspetto assai importante, presentano una gamma molto ampia di segnali, oltre 100 GHz.

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I modelli sperimentali esistenti di sistemi radiofotonici presentano una velocità di elaborazione dei segnali inaccessibile agli strumenti elettronici tradizionali. Ad esempio, la trasformazione analogico-digitale viene eseguita dai sistemi radiofotonici mille volte più rapidamente rispetto ai sistemi oggi in uso.

Oggi sia a livello globale sia in Russia sono in fase di implementazione su larga scala sistemi fotonici di trasmissione di segnali radio in grado di gestire enormi quantità di informazioni, sostengono gli scienziati dell’Università MEPhI. A tendere è inevitabile la comparsa sia di dispositivi nei quali la luce venga utilizzata anche per l’elaborazione dei segnali radio sia di antenne AESA basate su sistemi fotonici che consentiranno di monitorare con elevata precisione obiettivi di qualunque tipologia, pur trovandosi a grande distanza.

Presso la facoltà di Fisica laser dell’Università MEPHI, guidata dal professor Starikov, sono in corso ricerche teoriche e sperimentali nell’ambito dei sistemi analogico-digitali di fotonica microonde. Nello specifico, di recente gli esperti del Laboratorio di elaborazione ottica dei dati in seno alla sopraccitata Facoltà hanno messo a punto un sistema fotonico per l’elaborazione analogico-digitale dei segnali radio compresi in una gamma UHF.

Per questo dispositivo gli esperti dell’Università MEPHI di concerto con gli scienziati di altri enti di ricerca russe hanno messo a punto uno dei primi sistemi di gestione delle onde radio al mondo (il primo in Russia) a presentare elementi di fotonica microonde che tra l’altro ha già superato i test sul campo. Come spiegano gli scienziati, questi dispositivi sono molto più semplici ed efficaci in termini energetici rispetto agli analoghi elettronici.

Incredibile rapidità e qualità superiore

A tendere i sistemi ottico-digitali che si basano su una elaborazione parallela dei segnali ottici spaziali potranno garantire una velocità di esecuzione pari fino a 100 gigabit al secondo, ad esempio in fase di riconoscimento delle immagini o di codificazione dei dati. Le ricerche nell’ambito dell’elaborazione dei segnali ottici bidimensionali, condotte dall’Università MEPHI, si concentrano sulla creazione di sistemi diffrattivi e olografici che impiegano radiazioni laser coerenti e incoerenti.

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“Il nostro team sta mettendo a punto con successo metodologie che consentono di creare in maniera estremamente rapida e precisa ripartizioni spaziali luminose all’interno delle quali sarà possibile presentare enormi quantità di dati senza errori o perdite”, spiega Rostislav Starikov.

Nello specifico, al momento la Facoltà di Fisica laser dell’Università MEPHI, guidata dal professor Nikolay Evtikhiev nell’ambito di un programma patrocinato dal RNF, sta mettendo a punto un sistema diffrattivo ottico-digitale di nuova generazione finalizzato alla codificazione di dati. È già stato creato e testato un sistema di codificazione dei dati sdoppiati che, secondo i suoi creatori, consente di elaborare dati a una velocità pari a decine di gigabit al secondo.

Le altre ricerche condotte dagli esperti della Facoltà sono finalizzate alla creazione di sistemi intelligenti e estremamente rapidi di riconoscimento delle immagini visive. Secondo gli scienziati, al momento in via sperimentale sono state dimostrate le potenzialità di riconoscimento di immagini megapixelate a una velocità superiore a 10.000 fotogrammi al secondo, ossia un valore centinaia di volte superiore alle potenzialità degli analoghi elettronici.

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