Neue Form von Chaos im Labor realisiert

Renommierte Veröffentlichung: Internationales Forschungs-Team mit TU-Beteiligung bestätigt Vorhersage eines neuen Chaos-Typs – Potentielle Anwendung für Kommunikationstechnik, Kryptographie und Datenverarbeitung

Den Physikern Dr. Joseph D. Hart und Prof. Dr. Rajarshi Roy von der Universität Maryland in Kooperation mit Physikern der Technischen Universität Chemnitz unter Leitung von Prof. Dr. Günter Radons  (Forschergruppe Komplexe Systeme und Nichtlineare Dynamik) ist ein Meilensprung in der Chaos-Forschung gelungen. In einem Experiment bestätigten die Forscher aus den USA die Vorhersage eines neuen Typs von Chaos, die im Jahr 2018 durch ihre Chemnitzer Kollegen David Müller-Bender, Dr. Andreas Otto und Prof. Dr. Günter Radons gemacht und bereits damals große internationale Beachtung fand.

Die Chemnitzer Physiker fanden heraus, dass die unscheinbare Modifikation eines bereits bekannten Laser-Experiments unter zeitverzögerter Rückkopplung (Delay) zu völlig neuartigen Intensitätsvariationen des Laserlichts führen kann. Die Forscher nannten das „Laminares Chaos“. Die dafür notwendige periodische Variation des Delays wurde nun durch die US-Wissenschaftler in deren Aufbau (Bild 3) durch ein sogenanntes „Field Programmable Gate Array“ (FPGA), ein sehr schneller programmierbarer integrierter Schaltkreis, realisiert. Im Gegensatz zu den bereits bekannten hochfrequenten, chaotischen Oszillationen (obere Signalform in Bild 3), ergab sich die vorhergesagte Folge von Plateaus (untere Signalform in Bild 3). Diese scheinbar geordnetere Abfolge ist dennoch chaotisch, da die Plateauhöhe von Plateau zu Plateau chaotisch variiert. Da die Plateaustruktur potentiell unempfindlich gegenüber Störungen ist und die Plateauhöhe praktisch beliebig variiert werden kann, eignet sich diese Signalform als Informationsträger.

In einer aktuellen Veröffentlichung in dem international renommiertesten Fachjournal „Physical Review Letters“ berichten die Chemnitzer Physiker gemeinsam mit ihren Kollegen aus Maryland nun über die experimentelle Realisierung des laminaren Chaos und dessen Robustheit gegenüber Störungen. Die Ergebnisse eröffnen neue Anwendungen für moderne Informationstechnologien. So kann der beschriebene elektro-optische Versuchsaufbau ein erster Schritt zur Nutzung des laminaren Chaos in der schnellen optischen Realisierung von abhörsicherer Kommunikation durch Ausnutzen der schlechten Vorhersagbarkeit chaotischer Dynamik (Chaos-Kommunikation und Chaos-Kryptographie) und des Reservoir-Computings sein.

Hintergrund: Chaos & Delay

Der Begriff „Chaos“ bezeichnet in der Physik eine Bewegungsform, die sehr irregulär erscheint aber gleichzeitig klaren Gesetzen folgt. Fast alle Systeme haben diesen Charakter, was längerfristige Vorhersagen unmöglich macht. Bekannte Beispiele aus dem alltäglichen Leben sind das Wetter oder die Ziehung der Lottozahlen. Aber auch Laserlicht oder die Größe von Bakterienkolonien können sich chaotisch verhalten.

„Delay“ ist ein Fachbegriff, der die Verzögerungszeit zwischen Ursache und Wirkung erfasst. In vielen Fällen kann diese nicht vernachlässigt werden, was extrem komplizierte Bewegungsformen bewirken kann.

Originalveröffentlichung in den „Physical Review Letters“:

J. D. Hart, R. Roy, D. Müller-Bender, A. Otto and G. Radons: Laminar Chaos in Experiments: Nonlinear Systems with Time-Varying Delays and Noise, Phys. Rev. Lett. 123, 154101 (2019). Online verfügbar: doi.org/10.1103/PhysRevLett.123.154101

Matthias Fejes
28.10.2019

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