Учёные из Университета Витватерсранда в Южной Африке и Университета Бордо во Франции успешно испытали необычный способ передачи информации лазером через открытое пространство. Вместо попыток сохранить идеальную форму луча исследователи спрятали данные в его топологических свойствах. В результате атмосферная турбулентность заметно деформировала световой сигнал, но заложенная в него информация сохранилась и могла быть восстановлена на стороне приёмника.

Главное преимущество технологии заключается в потенциальном отказе от сложной предварительной компенсации атмосферных искажений. В реальном эксперименте лазер передавали между зданиями кампуса Wits в Йоханнесбурге на расстояние около 270 метров. Даже под воздействием естественных воздушных потоков и температурных неоднородностей топологические характеристики сигнала оставались устойчивыми. В перспективе принцип может пригодиться для наземных оптических сетей, связи с беспилотниками, самолётами, спутниками и космическими аппаратами.

Главная проблема лазерной связи находится прямо в воздухе

Передача информации светом давно используется в телекоммуникациях. В оптоволоконных линиях лазерный сигнал движется внутри относительно защищённой среды, поэтому внешние факторы воздействуют на него значительно слабее.

С беспроводной оптической связью ситуация сложнее. Когда лазер проходит непосредственно через атмосферу, на его распространение влияют изменения температуры, давления и плотности воздуха. Возникающая турбулентность способна постоянно менять амплитуду, фазу и пространственную структуру светового пучка.

На практике это означает, что переданный лазерный луч и сигнал, дошедший до приёмника, могут заметно отличаться друг от друга.

Для борьбы с такими искажениями применяются системы адаптивной оптики. Они анализируют состояние светового фронта и пытаются компенсировать возникшие изменения с помощью специализированного оборудования и вычислений. Это работает, но усложняет всю систему связи.

Учёные решили не исправлять испорченный луч

Команда Wits и Университета Бордо подошла к проблеме с другой стороны. Исследователи решили не бороться за сохранение первоначальной геометрии лазерного пучка, а использовать характеристику, устойчивую к определённым деформациям.

Такой характеристикой стала топология света.

Упрощённо принцип можно представить на примере обычного кольца. Его можно растянуть, сплющить или сделать овальным, однако отверстие внутри никуда не исчезнет. Форма объекта сильно изменится, тогда как его фундаментальное топологическое свойство останется прежним.

Похожую идею исследователи применили к свету. Даже если атмосфера деформирует внешний рисунок лазерного пучка, содержащаяся внутри него топологическая характеристика может сохраниться. Именно её предлагается использовать для кодирования информации.

Для передачи данных использовали оптические скирмионы

Основой эксперимента стали специальные структуры света, известные как оптические скирмионы.

Скирмионы представляют собой топологические структуры, которые могут существовать в различных физических системах. В данном случае исследователи сформировали особое пространственное распределение свойств электромагнитного поля и использовали его топологическое состояние в качестве носителя информации.

Ключевая особенность заключается в том, что для успешного считывания не обязательно идеально сохранять первоначальный внешний рисунок света.

Атмосфера может существенно изменить то, как пучок выглядит на приёмной стороне, однако его топологическая характеристика способна остаться прежней. Таким образом, информация оказывается связана не с точной формой изображения, а с более устойчивым свойством структуры света.

Проверку устроили не в лаборатории, а между зданиями

Особое значение работе придаёт место проведения эксперимента. Устойчивость подобных топологических структур ранее исследовалась в контролируемых лабораторных условиях, однако новая работа перенесла проверку в реальную атмосферу.

Лазерный канал организовали между зданиями кампуса Университета Витватерсранда в Йоханнесбурге. Расстояние составило приблизительно 270 метров.

Свет проходил через обычный уличный воздух со всеми характерными для него изменениями температуры и воздушными потоками. Поэтому на протяжении пути лазер подвергался естественной атмосферной турбулентности, а не её лабораторной имитации.

На приёмной стороне форма световой структуры уже заметно отличалась от отправленной. Однако интересующая исследователей топологическая информация сохранилась.

По словам ведущего автора работы Кейда Питерса, лабораторные исследования и раньше указывали на устойчивость такого подхода, однако теперь её впервые удалось продемонстрировать на реальной оптической линии в естественных атмосферных условиях.

Корректировать атмосферные искажения заранее не потребовалось

Один из наиболее интересных результатов эксперимента заключается в том, что исследователям не пришлось сначала измерять атмосферные искажения, а затем восстанавливать исходную форму луча.

В традиционной схеме свободнопространственной оптической связи оборудование может постоянно оценивать состояние канала и вносить поправки. Для этого требуются дополнительные оптические компоненты, вычислительные мощности и алгоритмы обработки.

Новый метод потенциально позволяет обойти часть этой сложности.

Если информация остаётся доступной даже после изменения геометрии светового пучка, системе не обязательно возвращать луч к первоначальному виду перед считыванием данных. Это способно сделать будущие оптические линии проще с аппаратной и вычислительной точки зрения.

Технология интересна и для квантовой связи

Разработка потенциально применима не только к классической передаче информации. Исследователи рассматривают топологический подход и в контексте квантовых коммуникаций, где сохранение состояния передаваемой информации имеет особенно большое значение.

Более ранние эксперименты этой исследовательской группы уже показывали интересные свойства оптических скирмионов при воздействии турбулентности. В опубликованной в 2026 году работе исследователи обнаружили устойчивость топологических характеристик как классических, так и квантовых оптических скирмионов в экспериментально смоделированной атмосфере. Новая работа развивает это направление уже на реальной линии связи.

Это важное различие: между успешным лабораторным экспериментом и технологией, работающей на улице, существует огромная дистанция. Теперь исследователи сделали один из шагов в сторону практического применения.

От наземного интернета до спутников

Свободнопространственная оптическая связь привлекательна прежде всего огромной потенциальной пропускной способностью. Вместо радиосигнала данные между двумя точками можно передавать направленным световым пучком.

Такой принцип подходит для организации высокоскоростных каналов между зданиями, удалёнными объектами и мобильными платформами. Ещё более интересным направлением являются спутниковые и космические коммуникации.

Именно здесь атмосферная турбулентность становится серьёзной проблемой: лазерному лучу между наземной станцией и спутником приходится проходить через атмосферу Земли.

Если топологическое кодирование позволит уменьшить зависимость таких каналов от систем коррекции искажений, оборудование потенциально можно будет сделать проще и устойчивее.

Авторы работы также рассматривают технологию как один из возможных инструментов развития связи в удалённых районах, где прокладка традиционной инфраструктуры затруднена.

До готового «лазерного интернета» ещё далеко

Несмотря на впечатляющие результаты, эксперимент пока не означает появления практически неуязвимого беспроводного оптического канала.

Топологическая устойчивость защищает определённое свойство передаваемого света от конкретных типов деформации, но не отменяет остальные физические ограничения лазерной связи. Для практического применения необходимо учитывать дальность, потери сигнала, погодные условия, движение передатчика и приёмника, точность наведения и множество других факторов.

Тем не менее эксперимент показывает принципиально иной способ решения одной из главных проблем свободнопространственной оптики: вместо постоянной борьбы с каждым искажением можно попытаться передавать информацию в такой форме, которая сама по себе значительно устойчивее к этим искажениям.

Результаты исследования опубликованы в научном журнале Science Advances в работе Topological robustness of optical skyrmions through a real-world free-space link.

Если технологию удастся масштабировать на значительно большие расстояния и высокие скорости передачи данных, топологическое кодирование света может стать одним из инструментов для создания нового поколения наземных и космических оптических сетей.