即使在扭曲或弯曲后也能保证数据安全的光纤

光纤是我们现代信息网络的支柱。从互联网上的远程通信到数据中心和证券交易所内的高速信息传输，光纤在我们全球化的世界中仍然至关重要。

然而，光纤网络在结构上并不完美，当出现问题时，信息传输可能会受到影响。为了解决这个问题，英国巴斯大学的物理学家开发了一种新型光纤，旨在增强网络的稳健性。这种稳健性在即将到来的量子网络时代可能会被证明尤为重要。

该团队使用拓扑数学制造了可以保护光(传输数据的介质)的光纤(发送信息的柔性玻璃通道)。最重要的是，这些改性纤维易于扩展，这意味着每根纤维的结构都可以保存数千公里。

巴斯的研究发表在最新一期的《 科学进展》杂志上。

保护光不受干扰

最简单的光纤，通常直径为 125 µm(类似于一缕粗发)，包含一个由包层包围的实心玻璃芯。光穿过核心，在那里反弹，就像从镜子上反射一样。

然而，光纤在纵横交错的景观中所采用的路径很少是笔直且不受干扰的：转弯、环路和弯曲是常态。光纤中的失真会导致信息在发送方和接收方之间移动时降级。“挑战在于建立一个考虑稳健性的网络，” 领导这项研究的物理学博士生Nathan Roberts说。

“无论何时制造光纤电缆，都不可避免地会出现光纤物理结构的微小变化。当部署在网络中时，光纤也会扭曲和弯曲。应对这些变化和缺陷的一种方法是确保光纤设计过程真正关注稳健性。这就是我们发现拓扑学思想有用的地方。”

为了设计这种新纤维，巴斯团队使用了拓扑学，这是对尽管几何形状不断变形但数量保持不变的数学研究。它的原理已经应用于物理学研究的许多领域。通过将物理现象与不变的数字联系起来，可以避免无序环境的破坏性影响。

巴斯团队设计的光纤通过在一根光纤中包含多个导光芯并以螺旋形连接在一起来部署拓扑思想。由于拓扑设计，光可以在这些核心之间跳跃，但会被困在边缘内。这些边缘状态在结构中受到保护以防止无序。

巴斯物理学家 Anton Souslov 博士作为理论负责人与人合着了这项研究，他说：“使用我们的光纤，与缺乏拓扑设计的等效系统相比，光受环境紊乱的影响更小。

“通过采用具有拓扑设计的光纤，研究人员将拥有通过构建固有的稳健光子系统来预先制止和阻止信号降级效应的工具。”

理论与实践相结合

巴斯物理学家彼得莫斯利 博士作为实验负责人共同撰写了这项研究，他说：“以前，科学家们将复杂的拓扑数学应用于光，但在巴斯大学，我们在物理制造光纤方面拥有丰富的经验，因此我们将数学与我们的专业知识相结合，创造出拓扑纤维。”

该团队还包括物理系的博士生 Guido Baardink 和 Josh Nunn 博士 ，目前正在寻找行业合作伙伴以进一步发展他们的概念。

“我们非常热衷于帮助人们建立强大的通信网络，我们已为这项工作的下一阶段做好准备，”Souslov 博士说。

罗伯茨先生补充说：“我们已经证明，您可以将数公里长的拓扑纤维缠绕在线轴上。我们设想一个量子互联网，其中信息将使用拓扑原理在各大洲之间稳健地传输。”

他还指出，这项研究的意义超越了通信网络。他说：“纤维开发不仅是一项技术挑战，而且本身就是一个令人兴奋的科学领域。

“了解如何设计光纤已经导致光源从跨越整个可见光谱的明亮‘超连续谱’一直到产生单个光子——单个光粒子的量子光源。”

未来是量子的

人们普遍预计量子网络将在未来几年发挥重要的技术作用。量子技术能够以比今天的“传统”计算机更强大的方式存储和处理信息，并且能够在全球网络中安全地发送信息而不会被窃听。

但是传输信息的光的量子态很容易受到环境的影响，找到保护它们的方法是一项重大挑战。这项工作可能是朝着使用拓扑设计维护光纤中的量子信息迈出的一步。