Група американски учени е разработила модел за безжична връзка, който работи без обичайния радиосигнал – въз основа на топлинния шум. На пръв поглед тя дори нарушава втория закон на термодинамиката, който забранява получаването на полезна работа за сметка на топлина без съответно въздействие върху околната среда. Откритието ще помогне за създаването на канали за връзка там, където използването на радио е невъзможно или нежелателно.
Топлинният шум представлява случайни колебания на напрежението, възникващи в резултат на термичното движение на електроните в проводниците. Той е винаги налице и за възникването му не е необходимо да се изразходва допълнителна енергия. Учените си зададоха въпроса: възможно ли е той да се използва за предаване на информация на разстояние без активен радиосигнал? Такъв подход би намерил приложение в случаи, когато всякакви радиосигнали са нежелателни, например в близост до медицинско оборудване, в радиоастрономията и в много други области.
За целите на експеримента е създаден предавател с антена, който превключва между две електрически състояния: отворена и затворена верига. На всяко състояние съответства един от двоичните символи – 0 или 1. Превключването променя свойствата на антената като отражател: тя взаимодейства по различен начин с топлинния шум, чиито характеристики се различават в зависимост от това дали веригата е отворена или затворена. Условно това може да се представи като свързване към антената на по-студена или по-гореща верига по зададен алгоритъм за предаване на смислени данни.
Женева Екола и Джида Жанг пред експерименталното пространство, което екипът създаде за тестване на новата си комуникационна система
Важно е да се отбележи, че всички компоненти на приемника и предавателя са имали приблизително еднаква температура, макар това да не означава пълна идентичност на топлинните шумове в двете вериги. С други думи, антената превключваше между две различни състояния, което водеше до промяна на нейната отразяваща способност. Общото съпротивление на веригата на предавателя се променяше при превключването, нарушавайки съгласуваността на неговата антена с приемника. Последният регистрираше тази промяна под формата на слаб електромагнитен сигнал, генериран, по същество, от топлинен шум.
Това не е получаване на информация от нищото. В тази разработка няма нарушение на втория закон на термодинамиката. Определено количество енергия се изразходва за превключване на веригите на предавателя, кодиране на информацията и работата на веригите на приемника. Ето защо дори при пълна липса на температурен градиент (температурна разлика) между предавателя и приемника, което съответства на условията, разгледани във втория закон на термодинамиката, между тях е възможно предаване на информация.
За да обяснят механизма на явлението, изследователите са създали математически модел на комуникационния канал, който описва как електрическите характеристики на предавателя влияят върху приемания шум и възможността за разграничаване на предаваните битове. Въз основа на този модел могат да се създават практични решения. Използвайки разработения модел, екипът е оптимизирал експерименталната система и увеличи скоростта на предаване на данни 100 пъти в сравнение с предишните демонстрации на този подход.
Възможните области на приложение включват автономни сензори за околната среда, системи за радиочестотна идентификация и оборудване, чувствително към електромагнитни смущения, например медицински уреди и астрономически обсерватории. Предаването на информация чрез термичен шум може да консумира до 1000 пъти по-малко енергия, отколкото предаването с активен радиосигнал, което отваря широки перспективи.