光纤是现代信息网络的主干. 从互联网上的远程通信到数据中心和股票交易所内的高速信息传输, 光纤在全球化的世界中仍然至关重要.

光纤网络不是, 然而, 结构完美, 当事情出错时，信息传递可能会受到影响. 为了解决这个问题，华盛顿大学的物理学家们 足球波胆公司开发了一种新型纤维，旨在增强网络的鲁棒性. 在即将到来的量子网络时代，这种鲁棒性可能被证明特别重要.

该团队利用拓扑学的数学原理制造出了能够保护光(传输数据的介质)的光纤(用于传输信息的柔性玻璃通道). 最棒的是, 这些改性纤维易于伸缩, 这意味着每一根纤维的结构可以在数千公里内保存下来.

足球波胆的这项研究发表在最新一期的《足球波胆》杂志上 科学的进步.

防止光线混乱

最简单的, 光纤的直径通常为125微米(类似于一根粗发丝)，由包层包裹的固体玻璃芯组成. 光穿过核心，在那里反射，就像镜子反射一样.

然而, 光纤穿过大地时所经过的路径很少是直的、不受干扰的:转弯, 循环, 而弯曲症是常态. 光纤中的失真会导致信息在发送方和接收方之间传输时性能下降.

一名物理学博士说:“足球波胆App面临的挑战是建立一个考虑到鲁棒性的网络。 内森•罗伯茨他领导了这项研究.

“当你制造光纤电缆时, 纤维物理结构上的微小变化是不可避免的. 当部署在网络中时，光纤也可能被扭曲和弯曲. 应对这些变化和缺陷的一种方法是确保纤维设计过程包括对坚固性的真正关注. 这就是足球波胆App发现拓扑学很有用的地方.”

设计这种新型纤维, 足球波胆团队使用了拓扑学, 哪一种是对几何不断变形却保持不变的量的数学研究. 它的原理已经应用于物理研究的许多领域. 通过将物理现象与不变的数字联系起来, 无序环境的破坏性影响是可以避免的.

足球波胆团队设计的纤维通过在纤维中包含几个导光核心来部署拓扑思想, 螺旋状相连的. 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. 这些边缘状态可以防止结构的无序.

浴的物理学家 Anton Souslov博士, 谁是这项研究的共同作者, 他说:“使用足球波胆App的纤维, 与缺乏拓扑设计的等效系统相比，光受环境无序的影响较小.

“通过采用拓扑设计的光纤, 研究人员将拥有通过构建固有的健壮的光子系统来先发制人和阻止信号退化效应的工具.”

理论与实践相结合

浴的物理学家 彼得·莫斯利博士, 谁作为实验负责人共同撰写了这项研究, 说:“以前, 科学家们已经将复杂的拓扑数学应用于光, 但在足球波胆大学，足球波胆App有很多物理制造光纤的经验, 所以足球波胆App把数学和足球波胆App的专业知识结合起来，创造出拓扑纤维.”

该团队还包括博士生 圭多Baardink 而且 Josh Nunn博士 物理系的, 现在正在寻找行业合作伙伴来进一步发展他们的概念吗.

“足球波胆App非常热衷于帮助人们建立强大的通信网络，足球波胆App已经为这项工作的下一阶段做好了准备,索斯洛夫博士说.

罗伯茨补充说:“足球波胆App已经证明，你可以在线轴周围缠绕数公里长的拓扑纤维. 足球波胆App设想了一个量子互联网，在这个互联网上，信息将利用拓扑原理在各大洲之间可靠地传输.”

他指出，这项研究的意义超出了通信网络. 他说:“纤维发展不仅是一个技术挑战, 但它本身也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明亮的‘超连续介质’跨越整个可见光谱，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. 量子技术能够以比当今“经典”计算机更强大的方式存储和处理信息, 以及在全球网络上安全地发送信息，没有任何窃听的机会.

但是传输信息的光的量子态很容易受到环境的影响，找到一种保护它们的方法是一个重大挑战. 这项工作可能是朝着利用拓扑设计在光纤中维护量子信息迈出的一步.

这项工作得到了工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的资助(EP/T000961/1), EP / T001062/1), 皇家学会(RGS/R2/202135), 空军科学研究办公室(FA8655-22-1-7028).