Dati inviati col solo rumore di fondo in un laboratorio di Stanford

In una camera rivestita di schiuma a Stanford, un trasmettitore e un ricevitore si trovano a temperatura ambiente, e i dati passano tra loro senza che il trasmettitore produca una sola onda radio. La squadra della professoressa associata Zerina Kapetanovic ha dimostrato che il rumore di fondo dell'elettronica può trasportare informazioni. Il risultato, pubblicato sui Proceedings of the National Academy of Sciences, descrive un metodo che i ricercatori chiamano comunicazione a rumore termico.

Il rumore termico è il debole fruscio generato dalla vibrazione degli elettroni nei conduttori elettrici. I sistemi radio e cellulari normalmente lo combattono. La sua intensità dipende dalla temperatura, e gli strumenti sensibili possono rilevarlo: gli astronomi usano il rumore termico emesso da pianeti e stelle lontane per studiarli. Le precedenti ricerche di Kapetanovic sul monitoraggio agricolo l'hanno portata a chiedersi se un dispositivo potesse funzionare come i tag RFID delle barriere autostradali, rispondendo a una richiesta senza un segnale radio energivoro. Secondo lo studio, un trasmettitore radio convenzionale può consumare fino a 1.000 volte più energia per inviare informazioni rispetto a un trasmettitore che usa solo il rumore termico.

Il meccanismo è semplice da descrivere. Il trasmettitore, dotato di un'antenna, alterna due stati elettrici, un circuito aperto e un cortocircuito, che rappresentano i bit uno e zero. In uno stato assorbe il rumore ambientale, nell'altro lo riflette. Il ricevitore amplifica il rumore che rimbalza sull'antenna e individua uno schema: il rumore riflesso appare più caldo o più freddo. L'amplificatore, che i ricercatori paragonano a un frigorifero a elettroni, rallenta gli elettroni e fa apparire il rumore più freddo. Joseph Kahn paragona il trasmettitore a un naufrago che segnala con uno specchietto: «È solo un riflettore». Il trasmettitore modula il segnale senza raffreddare nulla, ed è questo che all'inizio aveva reso l'esperimento così sorprendente.

Per capire il collegamento, il team ha elaborato un modello di canale, l'equazione che definisce le variabili fondamentali del sistema, uno strumento usato in ogni forma di comunicazione wireless. Regolare l'impianto secondo quel modello ha migliorato la velocità di trasferimento dei dati di 100 volte. Lo studio non indica la velocità risultante in termini assoluti, e gli esperimenti si svolgono ancora all'interno della scatola isolata. I prossimi passi sono collegare più trasmettitori in una rete e assicurarsi che il segnale non si perda in ambienti più rumorosi.

Per il momento, la domanda è dove potrebbe arrivare la comunicazione a basso consumo. I ricercatori vedono l'approccio adatto a situazioni in cui devono spostarsi piccole quantità di dati e l'energia è scarsa, come il monitoraggio ambientale, e a luoghi sensibili alle interferenze elettromagnetiche, come i dispositivi medici o gli osservatori astronomici. «Speriamo che questo sistema di comunicazione non convenzionale possa sbloccare la comunicazione wireless dove finora non è riuscita a estendersi», ha dichiarato Geneva Ecola. Lo studio non fornisce alcuna tempistica per applicazioni al di fuori del laboratorio, e il sistema non è stato ancora testato sul campo.