ENG: Optical fibres are the backbone of our modern information networks. From long-range communication over the internet to high-speed information transfer within data centres and stock exchanges, optical fibre remains critical in our globalised world. Fibre networks are not, however, structurally perfect, and information transfer can be compromised when things go wrong. To address this problem, physicists at the University of Bath have developed a new kind of fibre designed to enhance the robustness of networks. This robustness could prove to be especially important in the coming age of quantum networks.

The team has fabricated optical fibres (the flexible glass channels through which information is sent) that can protect light (the medium through which data is transmitted) using the mathematics of topology. Best of all, these modified fibres are easily scalable, meaning the structure of each fibre can be preserved over thousands of kilometres. At its simplest, optical fibre – which typically has a diameter of 125 µm (similar to a thick strand of hair) – comprises a core of solid glass surrounded by cladding. Light travels through the core, where it bounces along as though reflecting off a mirror. However, the pathway taken by an optical fibre as it crisscrosses the landscape is rarely straight and undisturbed: turns, loops, and bends are the norm. Distortions in the fibre can cause information to degrade as it moves between sender and receiver.

To design this new fibre, the Bath team used topology, which is the mathematical study of quantities that remain unchanged despite continuous distortions to the geometry. Its principles are already applied to many areas of physics research. By connecting physical phenomena to unchanging numbers, the destructive effects of a disordered environment can be avoided. The fibre designed by the Bath team deploys topological ideas by including several light-guiding cores in a fibre, linked together in a spiral. Light can hop between these cores but becomes trapped within the edge thanks to the topological design. These edge states are protected against disorder in the structure.

Quantum networks are widely expected to play an important technological role in years to come. Quantum technologies have the capacity to store and process information in more powerful ways than ‘classical’ computers can today, as well as sending messages securely across global networks without any chance of eavesdropping. But the quantum states of light that transmit information are easily impacted by their environment and finding a way to protect them is a major challenge. This work may be a step towards maintaining quantum information in fibre optics using topological design.

RO: Fibrele optice reprezintă coloana vertebrală a rețelelor noastre moderne de informații. De la comunicațiile de lungă distanță pe internet la transferul de informații de mare viteză în centrele de date și bursele de valori, fibra optică rămâne esențială în lumea noastră globalizată. Cu toate acestea, rețelele de fibră optică nu sunt perfecte din punct de vedere structural, iar transferul de informații poate fi compromis atunci când lucrurile merg prost. Pentru a rezolva această problemă, fizicienii de la Universitatea din Bath au dezvoltat un nou tip de fibră conceput pentru a spori robustețea rețelelor. Aceasta s-ar putea dovedi a fi deosebit de importantă în viitoarea eră a rețelelor cuantice.

Echipa a fabricat fibre optice (canalele de sticlă flexibile prin care se transmit informațiile) care pot proteja lumina (mediul prin care se transmit datele) folosind matematica topologiei. Cel mai bun lucru este că aceste fibre modificate sunt ușor scalabile, ceea ce înseamnă că structura fiecărei fibre poate fi păstrată pe mii de kilometri. La modul cel mai simplu, fibra optică – care are de obicei un diametru de 125 µm (similar cu un fir gros de păr) – cuprinde un miez de sticlă solidă înconjurat de un strat de acoperire. Lumina călătorește prin miez, unde ricoșează ca și cum s-ar reflecta într-o oglindă. Cu toate acestea, traseul parcurs de o fibră optică în timp ce traversează peisajul este rareori drept și netulburat: virajele, buclele și curbele reprezintă norma. Distorsiunile din fibră pot cauza degradarea informațiilor pe măsură ce acestea se deplasează între emițător și receptor.

Pentru a proiecta această nouă fibră, echipa de la Bath a folosit topologia, care reprezintă studiul matematic al cantităților care rămân neschimbate în ciuda unor distorsiuni continue ale geometriei. Principiile sale sunt deja aplicate în multe domenii de cercetare în fizică. Prin conectarea fenomenelor fizice la numere neschimbate, pot fi evitate efectele distructive ale unui mediu dezordonat. Fibra proiectată de echipa de la Bath utilizează ideile topologice prin includerea mai multor nuclee de ghidare a luminii într-o fibră, legate între ele în spirală. Lumina poate sări între aceste nuclee, dar rămâne captivă în interiorul marginii datorită designului topologic. Aceste stări de margine sunt protejate împotriva dezordinii din structură.

Este de așteptat ca rețelele cuantice să joace un rol tehnologic important în anii următori. Tehnologiile cuantice au capacitatea de a stoca și de a procesa informații în moduri mai puternice decât o pot face în prezent computerele “clasice”, precum și de a trimite mesaje în siguranță prin rețele globale, fără nicio șansă de interceptare. Însă stările cuantice ale luminii care transmit informații sunt ușor influențate de mediul înconjurător, iar găsirea unei modalități de a le proteja reprezintă o provocare majoră. Această lucrare ar putea fi un pas înainte în direcția menținerii informațiilor cuantice în fibrele optice prin intermediul designului topologic.

Source (University of Bath, “The optical fibre that keeps data safe even after being twisted or bent”, 10.01.2023)

Paper: Roberts, N., Baardink, G., Nunn, J., Mosley, P.J. and Souslov, A., 2022. Topological supermodes in photonic crystal fibre. arXiv preprint arXiv:2201.10584.