فیبرهای نوری ستون فقرات شبکه‌های اطلاعاتی مدرن ما هستند. از ارتباطات دوربرد از طریق اینترنت گرفته تا انتقال اطلاعات با سرعت بالا در مراکز داده و بورس اوراق بهادار، فیبر نوری در دنیای جهانی شده ما حیاتی است.
ساخت فیبر نوری که اطلاعات را حتی پس از پیچش یا خم شدن ایمن نگه می‌دارد
با این حال، شبکه‌های فیبر از نظر ساختاری بی‌نقص نیستند و در صورت بروز مشکل، انتقال اطلاعات به خطر می‌افتد. برای رفع این مشکل، فیزیکدانان دانشگاه باث نوع جدیدی از فیبر طراحی کرده‌اند که برای افزایش استحکام شبکه‌ها طراحی شده است. این استحکام می‌تواند به ویژه در عصر آینده شبکه‌های کوانتومی مهم باشد.
این تیم فیبرهای نوری، یعنی کانال‌های شیشه‌ای انعطاف‌پذیری که اطلاعات از طریق آن‌ها ارسال می شود، را ساخته‌اند که می‌توانند با استفاده از ریاضیات توپولوژی از نور، یا در واقع حامل اطلاعات، محافظت کنند. بهتر از همه، این فیبرهای اصلاح شده به راحتی مقیاس‌پذیر هستند، به این معنی که ساختار هر فیبر را می‌توان در طول هزاران کیلومتر حفظ کرد. نتایج این پروژه در نشریه Science Advances منتشر شده است.
در ساده‌ترین حالت، فیبر نوری که معمولاً دارای قطر ۱۲۵ میکرومتر (مشابه تارهای ضخیم مو) است، شامل هسته‌ای از شیشه جامد است که با روکشی احاطه شده است. نور از میان هسته عبور می‌کند، جایی که گویی از آینه منعکس می‌شود.
با این حال، مسیری که فیبر نوری هنگام عبور طی می‌کند، به ندرت مستقیم و بدون مزاحمت است در این مسیر چرخش‌ها، حلقه‌ها و خم‌ها عادی هستند. اعوجاج در فیبر می‌تواند باعث کاهش حجم اطلاعات در هنگام حرکت بین فرستنده و گیرنده شود.
برای طراحی این فیبر جدید، این تیم از توپولوژی استفاده کرد، که مطالعه ریاضی کمیت‌هایی است که علیرغم اعوجاج‌های مداوم در هندسه بدون تغییر باقی می‌مانند. اصول آن در حال حاضر در بسیاری از زمینه‌های تحقیقات فیزیک اعمال می‌شود. با اتصال پدیده‌های فیزیکی به اعداد، می‌توان از اثرات مخرب یک محیط بی نظم جلوگیری کرد.
فیبر طراحی شده توسط محققان این پروژه، ایده‌های توپولوژیکی را با گنجاندن چندین هسته هدایت کننده نور در یک فیبر، که به صورت مارپیچی به هم متصل شده‌اند، را به کار می گیرد. نور می‌تواند بین این هسته‌ها بپرد اما به لطف طراحی توپولوژیکی در لبه محبوس می‌شود. این حالت‌های لبه در برابر بی نظمی در ساختار محافظت می‌شوند.
دکتر آنتون سوسلوف، فیزیکدان این دانشگاه، گفت: «با استفاده از فیبر ما، نور کمتر تحت تأثیر اختلالات محیطی قرار می‌گیرد.»
با استفاده از فیبرهای نوری با طراحی توپولوژیکی، محققان ابزارهایی برای جلوگیری از اثرات تخریب سیگنال با ساختن سیستم‌های فوتونیک ذاتاً قوی خواهند داشت.
دکتر پیتر موزلی، گفت: «پیش از این، دانشمندان ریاضیات پیچیده توپولوژی را برای نور به کار می بردند، اما در اینجا در دانشگاه باث، ما تجربیات زیادی در ساخت فیبرهای نوری داریم. ما ریاضیات را با تخصص خود در کنار هم قرار دادیم تا فیبر توپولوژیکی ایجاد کنیم.»
این تیم اکنون به دنبال شرکای صنعتی برای توسعه بیشتر فناوری خود هستند. دکتر سوسلوف گفت: «ما واقعاً مشتاق هستیم که به مردم کمک کنیم تا شبکه های ارتباطی قوی بسازند و برای مرحله بعدی این کار آماده هستیم.»
آقای رابرتز افزود: «ما نشان داده‌ایم که می‌توانید کیلومترها فیبر توپولوژیکی را به دور یک قرقره بچرخانید. ما یک اینترنت کوانتومی را تصور می‌کنیم که در آن اطلاعات با استفاده از اصول توپولوژیکی به طور قوی در سراسر قاره‌ها منتقل می‌شود.
وی خاطرنشان کرد این تحقیق دارای مفاهیمی است که فراتر از شبکه های ارتباطی است. او گفت: «توسعه فیبر نه تنها یک چالش فناورانه است، بلکه به خودی خود یک زمینه علمی هیجان‌انگیز است.»
انتظار می‌رود شبکه‌های کوانتومی در سال‌های آینده نقش مهمی در فناوری ایفا کنند. فن‌آوری‌های کوانتومی ظرفیت ذخیره و پردازش اطلاعات را به روش‌های قدرتمندتر از رایانه‌های کلاسیک امروزی و همچنین ارسال پیام‌های ایمن در سراسر شبکه‌های جهانی بدون هیچ گونه شانسی برای استراق سمع دارند.
اما حالت‌های کوانتومی نور که اطلاعات را انتقال می‌دهند به راحتی تحت تأثیر محیط زیست قرار می‌گیرند و یافتن راهی برای محافظت از آن‌ها یک چالش بزرگ است. این کار ممکن است گامی در جهت حفظ اطلاعات کوانتومی در فیبر نوری با استفاده از طراحی توپولوژیکی باشد.
