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图1 巴斯大学所发明的光纤提高了当下光纤网络和未来量子通信的鲁棒性
光纤是现代信息网络的核心。从远距离的互联网通信到数据中心和股票交易中心的高速信息传输，光纤在全球化的各种场景中都至关重要。
然而，光纤网络在结构上并不完美，一旦出现问题，信息传输就会受到影响。为了解决这一问题、提高光纤网络的鲁棒性，巴斯大学的物理学家们发明了一种新型光纤。这种光纤的强鲁棒性有望在即将到来的量子网络时代发挥巨大作用。
团队利用数学中的拓扑学，制造出了能保护光不受环境影响的光纤。更重要的是，改良后的光纤具有很强的可拓展性，光纤结构能在数千公里的距离内保持不变。
巴斯大学的研究成果发表于最新一期Science Advances。
保护光不受环境影响
最简单的光纤直径通常约为125微米，由外部的包层和内部固体玻璃的纤芯组成。光在纤芯中传播，纤芯如同镜子般对光线进行多次反射。
然而，当在现实环境中铺设光纤时，光纤路径几乎不可能是笔直、不受干扰的，常常会存在转弯、组成环路或者弯曲。光纤的变形会降低信息在发送方和接收方之间的传输性能。“我们的目标是建立一个高鲁棒性的网络。”主导此项研究的物理学博士生Nathan Roberts说。
“在光纤光缆制造时，不可避免地会产生一些物理结构的微小变化；部署在网络中时，光纤也会被扭转和弯曲。解决这些缺陷和变形的方法之一是，在光纤设计之初就考虑光纤的鲁棒性。而拓扑学则在这一过程中发挥了作用。”
巴斯大学的团队使用了拓扑学来设计这种新型光纤。拓扑学是研究几何图形在连续改变形状后还能保持不变的性质的学科，已经被应用到许多物理研究领域中。通过将物理现象与不变的数字相关联，避免了无序环境的破坏性影响。
巴斯大学团队所设计的光纤中包含多个以螺旋状连接在一起的纤芯，其拓扑设计保证光在这些纤芯之间跳跃的同时永远保持在边缘内传输。这些边缘态能够保护光不受结构变化的影响。
此项研究的共同作者、巴斯大学的物理学家Anton Souslov说：“相比未采用拓扑设计的系统，这种设计能够降低环境改变对光纤的影响。通过使用具有拓扑设计的光纤，研究人员将能搭建稳定光子系统，提前避免信号失真效应。”
理论和实践的结合
此项研究的共同作者、实验负责人、巴斯大学的物理学家Peter Mosley博士说：“科学家们早就在光学研究中使用过复杂的拓扑数学。巴斯大学具备丰富制造光纤的经验，我们在这里把数学和专业知识相结合，设计出了拓扑光纤。”
团队还包括物理系的博士生Guido Baardink和Josh Nunn博士，目前团队正寻找工业合作伙伴以进一步发展这一概念。
Souslov博士说：“我们迫切希望能够帮助人们搭建起更稳健的通信网络，并且已经对下一阶段的工作做好了准备。”
Roberts补充道：“我们已经证明，这种拓扑光纤在缠绕几公里长后，还能继续传输信号。我们还设想了一个利用拓扑原理将信息在各大洲之间可靠传输的量子互联网。”他还指出，这项研究的意义绝不仅限于通信网络中。他说：“对光纤进行改进的意义并不仅仅是解决了一项技术挑战这么简单，改进本身就具有重要科学意义。对光纤设计的研究，推动了人们对光源的认识从明亮的超连续谱光源发展到整个可见光谱、再到产生单个光子的量子光源——即光的单个粒子。”
未来属于量子
人们普遍认为，量子网络将在未来几年发挥重要的技术作用。量子技术有望以远强于经典计算机的方式存储和处理信息，并且杜绝任何窃密手段、在全球网络中安全地发送消息。
然而量子网络传输信息所使用的光量子态很容易被环境影响，如何保持光量子态是一项重大挑战。此项研究工作有望为如何利用拓扑设计保持光纤中传输的量子信息相关研究奠定重要基础。
文章见：Nathan Roberts et al, Topological supermodes in photonic crystal fiber, Science Advances (2022). DOI: 10.1126/sciadv.add3522。
