Вселенная информации: как свет становится данными, а данные — светом

Посреди пустыни Мохаве, примерно в ста километрах к северу от Лос-Анджелеса, расположена крупнейшая солнечная электростанция в США — Solar Star. Она занимает площадь в 13 квадратных километров и состоит из 1,7 миллиона фотоэлектрических модулей. За год Solar Star производит столько энергии, что может обеспечить ею весь мир на один час.

А всего в пяти с половиной часах езды оттуда, в Национальной ускорительной лаборатории (SLAC) в Кремниевой долине, находится крупнейшая в мире матрица, конвертирующая фотоны в информацию. Она представляет собой диск диаметром 64 сантиметра, на котором расположены 189 специальных чипов. Эта матрица станет частью фокальной плоскости самой большой цифровой камеры в мире.

За десять лет она соберет данные о движении сотен миллиардов небесных тел.

Это впечатляющее устройство, но по сути оно мало чем отличается от ручной камеры образца 1980-х годов — только вместо транзисторов там находятся чипы с миллионами фотоприемников.

В этом году конструкцию перевезут в недавно построенную в Чилийских Андах Обсерваторию имени Веры Рубин, названную в честь американского астронома, которая занималась изучением темной материи. По замыслу ученых свет из далеких галактик, отраженный от трех зеркал телескопа, пройдет через три огромных линзы камеры — изображение будет очень четким. На каждом из 189 чипов установлен 16-метровый прибор с зарядовой связью (ПЗС) с электронно-дырочным переходом. За 15 секунд эти приборы смогут поймать десятки электронов.

Затем каждый из 3,2 миллиарда ПЗС телескопа передаст электроны расположенному рядом элементу — как пожарные передают друг другу по цепочке мешки с песком. Электросхемы посчитают количество электронов, полученных от каждого элемента, чтобы рассчитать яркость соответствующего пикселя в 3,2-гигапиксельном изображении.

Эти изображения будут содержать в 50 раз больше данных, чем те, которые получаются при помощи лучших цифровых кинокамер. Они будут охватывать участки неба, в 40 раз превышающие видимый размер Луны, с детализацией, которая позволит увидеть объекты размером с мячик для гольфа с расстояния 25 километров.

Каждые несколько ночей в течение десяти лет телескоп будет делать сотни изображений различных частей неба. Сравнивая новые фотографии с предыдущими, можно будет зафиксировать перемещение, изменение яркости и исчезновение небесных тел. Необычные изменения необходимо будет сразу же изучить, а это значит, что данные нужно будет доставить как можно скорее. Для этой цели будет использоваться другая фотонная технология.

Информация, приходящая в обсерваторию из отдаленных уголков Вселенной в виде россыпи фотонов, в закодированном виде по волоконно-оптическому кабелю поступит в Сантьяго. Далее по кабелю, лежащему на дне океана, она отправится в Майами, а оттуда — в SLAC.

Если программное обеспечение, обрабатывающее данные, зарегистрирует что-нибудь необычное, мир узнает о последних новостях из глубин Вселенной менее чем через минуту после того, как фотоны достигнут камеры.

Путь в Калифорнию и из Калифорнии эти данные пройдут по волоконно-оптическому кабелю вместе с повседневными данными со смартфонов.

База данных Обсерватории имени Веры Рубин объемом 60 000 терабайт станет самой большой в мире астрономической базой данных. По сравнению с общим количеством информации в современном мире — это капля в море.

Волоконно-оптическая связь — основа телекоммуникаций любой страны. Она связывает шесть из семи континентов и соединяет телефонные вышки, обслуживающие миллиарды смартфонов, с облачным хранилищем, где обрабатываются данные с этих смартфонов. Большие данные существуют благодаря огромной пропускной способности, которой обладают эти тонкие информационные магистрали.

Сквозь ясное стекло

Свет, проходящий через эти волокна, производится в полупроводниках. Разные типы полупроводников могут преобразовывать электрический ток в свет при помощи электронно-дырочного перехода.

Простейшие светодиоды (LED) сегодня часто используются для подсветки экрана в телевизорах, компьютерах, телефонах и для освещения помещений. Способность светодиодов излучать свет без выделения тепла — в отличие от ламп накаливания — делает их намного более эффективными и долговечными.

Свет в оптическом волокне производится не светодиодами, а полупроводниковым лазером, который направляет пучок света вдоль плоскости электронно-дырочного перехода. Этот свет принимает фотодиод, который, в отличие от ПЗС, не хранит, а мгновенно обрабатывает образовавшиеся свободные электроны.

Оптическое волокно сделано из высокопрозрачного стекла.

Когда в 1960-х годах ученые впервые предложили использовать свет, пропускаемый через стекловолокно, для телекоммуникации, их замысел казался донкихотским.

Даже тонкое стекло поглощает изрядную долю проходящего через него света; полсантиметровое, например, снижает яркость света на 20%. Самое прозрачное стекло в мире, используемое в эндоскопах, в 200 раз лучше: потери света в таких стеклах составляют 20% на метр.

Но это означает, что через 20 метров будет поглощено 99% света. Если пропустить через это стекло все фотоны, которые Солнце посылает к Земле, они будут поглощены менее чем через километр (само волокно также испарится, но это уже другая проблема).

Однако никто прежде не пробовал снизить светопоглощаемость стекла, так как не было необходимости в стеклах толще пары сантиметров. Очень скоро оказалось, что в этом нет ничего невозможного.

В 1965 году Чарльз Као из британской телекоммуникационной компании STL установил новый стандарт для телекоммуникаций: поглощение 99% света на километр стекла, что в 50 раз превышает показатели стекол для эндоскопов. Через пять лет Дональд Кек из компании Corning Glass изобрел волокно, поглощающее 96% света на километр.

Эта технология развивалась медленно. Инженеры-электронщики не умели работать со стеклом, а стекловары — с электроникой. Ретроспективно потенциал этой технологии кажется очевидным, но в то время многие представители индустрии телекоммуникаций были уверены, что будущее за микроволнами, путешествующими по металлическим трубкам.

Однако в 1982 году разделение телекоммуникационного конгломерата AT&T создало условия для возникновения в США рынка дальней связи — и новые компании сделали выбор в пользу оптического волокна.

В середине 1980-х команда ученых из Саутгемптонского университета разработала волоконно-оптический усилитель на оптическом волокне, легированном ионами редкоземельного элемента эрбия. Эта технология позволила прокладывать волоконно-оптические кабели на дне океана.

Первый такой кабель, TAT-8, провели в 1988 году. Его пропускная способность составила 280 Мбит/с, что было в 10 раз выше, чем у его предшественника — коаксиального кабеля. Многие думали, что понадобится 10 лет, чтобы достигнуть предела пропускной способности кабеля, но это было сделано за полтора года.

Часть пропускной способности была выделена для линии связи между Европейской лабораторией физики высоких энергий (ЦЕРН) и Корнелльским университетом в штате Нью-Йорк — одним из хабов NSFNet, предшественника интернета.

Благодаря этой линии связи Тим Бернерс-Ли смог продемонстрировать американским коллегам свои идеи о браузерах и HTML. Всемирная паутина стала всемирной благодаря TAT-8.

С того момента интернет и пропускная способность волоконно-оптических кабелей росли бок о бок.

В новой системе, установленной в Обсерватории имени Веры Рубин, используется оборудование, позволяющее лазерному излучению разной частоты проходить через одно и то же оптоволокно. Технология спектрального уплотнения каналов позволяет использовать до 80 разных частот одновременно.

Новейший подводный кабель, Dunant, проложенный в 2020 году на средства Google, состоит из 24 волокон и может передавать до 300 Тбит/с — в миллион раз больше, чем TAT-8.

Так информация, будь то из TikTok или из отдаленной галактики, путешествует вокруг Земли.