Однако оптоволоконные сети не отличаются идеальной структурой, и передача информации может нарушаться, когда что-то  идет не так. Для решения этой проблемы физики из Университета Бата (Великобритания) разработали новый вид волокна, призванный повысить надежность сетей. Эта надежность может стать особенно важной в грядущую эпоху квантовых сетей.

Команда создала оптические волокна (гибкие стеклянные каналы, по которым передается информация), которые могут эффективно экранировать свет (среду, по которой передаются данные) от помех с помощью математических методов в топологии. Самое важное, что эти модифицированные волокна легко масштабируются, то есть структура каждого волокна может оставаться неизменной на протяжении тысяч километров.

Исследование опубликовано в последнем номере журнала Science Advances.

Защита света от помех

В самом простом виде оптическое волокно, диаметр которого обычно составляет 125 мкм (похоже на толстую прядь волос), состоит из сердцевины из твердого стекла, окруженной оболочкой. Свет проходит через сердцевину, где он отражается словно от зеркала.

Однако путь, который проходит оптическое волокно, пересекая ландшафт, редко бывает прямым и беспрепятственным: в порядке вещей повороты, петли и изгибы. Искажения в волокне могут привести к ухудшению качества информации при ее передаче от отправителя к получателю.

Задача заключалась в том, чтобы построить сеть с учетом ее надежности, — говорит аспирант физического факультета Натан Робертс, возглавлявший исследование.

При изготовлении волоконно-оптического кабеля неизбежно возникают небольшие отклонения в физической структуре волокна. При прокладке в сети волокно также может скручиваться и изгибаться. Один из способов борьбы с этими отклонениями и дефектами — обеспечить, чтобы в процессе проектирования волокна уделялось особое внимание прочности. Именно здесь ученым пригодились идеи топологии.

Для разработки нового волокна команда из Бата применила топологию, которая представляет собой математическое исследование величин, остающихся неизменными, несмотря на постоянные геометрические искажения. Ее принципы уже применяются во многих областях физических исследований. Связывая физические явления с неизменными числами, можно избежать разрушительного воздействия неупорядоченной среды.

Волокно, разработанное командой из Бата, включает нескольких световодных жил, соединенных вместе по спирали. Свет может перемещаться между этими сердцевинами, но благодаря топологическому дизайну оказывается в ловушке на краю. Эти краевые состояния защищены от хаоса в структуре.

Физик из Бата доктор Антон Суслов, который является соавтором исследования, сказал:

Благодаря нашему волокну свет меньше подвержен влиянию беспорядка в окружающей среде, чем если бы он был в эквивалентной системе, не имеющей топологического дизайна.

Используя оптические волокна с топологическим дизайном, исследователи получат инструменты для упреждения и предотвращения эффектов ухудшения сигнала путем создания надежных по своей природе фотонных систем.

На стыке теории и практики

Физик из Бата доктор Питер Мосли, соавтор исследования, сказал:

Ранее ученые применяли сложную математическую теорию топологии к свету, но здесь, в Университете Бата, у нас есть большой опыт физического создания оптических волокон, поэтому мы объединили математику с нашим опытом, чтобы создать топологическое волокно.

Команда, в которую также входят аспирант Гвидо Баардинк и доктор Джош Нанн с кафедры физики, теперь ищет партнеров из промышленной отрасли для дальнейшего развития своей концепции.

Мы очень хотим помочь людям создать надежные коммуникационные сети и готовы к следующему этапу этой работы, — сказал д-р Суслов.

Г-н Робертс добавил:

Мы показали, что можно создавать километры топологического волокна, намотанного на катушку. Мы представляем себе квантовый интернет, в котором информация будет надежно передаваться через континенты с использованием топологических принципов.

Он также отметил, что это исследование имеет последствия, выходящие за рамки сетей связи. Он сказал:

Разработка оптоволокна — это не только технологическая задача, но и захватывающая научная область сама по себе.

Понимание того, как создать оптическое волокно, привело к появлению источников света от яркого «суперконтинуума», который охватывает весь видимый спектр, до квантовых источников света, которые производят отдельные фотоны — отдельные частицы света.

Квантовое будущее

Ожидается, что квантовые сети будут играть важную технологическую роль в ближайшие годы. Квантовые технологии способны хранить и обрабатывать информацию более мощными способами, чем «классические» компьютеры, а также безопасно передавать сообщения по глобальным сетям без возможности шпионажа.

Однако квантовые состояния света, передающего информацию, легко подвержены влиянию окружающей среды, и потому важно найти способ их защиты. Эта работа может стать шагом к сохранению квантовой информации в волоконной оптике с помощью топологического дизайна.