巴斯大学开发的光导纤维将使现在和即将到来的量子通信时代的网络更加强大。资料来源：Nathan Roberts

光纤是我们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证券交易所内的高速信息传输，光纤在我们的全球化世界中仍然至关重要。

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。为了解决这个问题，英国巴斯大学的物理学家已经开发出一种新的光纤，旨在提高网络的稳健性。这种稳健性在即将到来的量子网络时代可能被证明是特别重要的。

该团队已经制造出了能够利用拓扑数学保护光（数据传输的媒介）的光纤（信息发送的柔性玻璃通道）。最重要的是，这些经过改造的光纤很容易扩展，这意味着每根光纤的结构可以在数千公里内保存下来。

巴斯的研究报告发表在最新一期的《科学进展》杂志上。

保护光线不受干扰

在最简单的情况下，光纤通常有125微米的直径（类似于一根粗大的头发），包括一个由包层包围的固体玻璃核心。光线穿过芯体，在那里反弹，就像在镜子上反射一样。

然而，光纤在风景中纵横交错的路径很少是笔直的和不受干扰的：转弯、环形和弯曲是常态。当信息在发送方和接收方之间移动时，光纤的扭曲会导致信息衰减。"领导这项研究的物理学博士生Nathan Roberts说："挑战是建立一个考虑到稳健性的网络。

"每当你制造一条光缆时，光纤的物理结构中不可避免地会出现微小的变化。当部署在一个网络中时，光纤也可能被扭曲和弯曲。应对这些变化和缺陷的方法之一是确保光纤设计过程包括对坚固性的真正关注。这就是我们发现拓扑结构的想法有用的地方"。

为了设计这种新的纤维，巴斯团队使用了拓扑学，它是对在几何形状连续变形的情况下仍保持不变的数量的数学研究。它的原理已经被应用于物理学研究的许多领域。通过将物理现象与不变的数字联系起来，可以避免无序环境的破坏性影响。

巴斯团队设计的光纤采用了拓扑学的理念，在光纤中包括几个光导芯，以螺旋的方式连接在一起。光可以在这些核心之间跳跃，但由于拓扑学设计，光会被困在边缘内。这些边缘状态被保护起来，以防止结构中的无序。

巴斯物理学家Anton Souslov博士作为理论带头人共同撰写了这项研究，他说："使用我们的光纤，与缺乏拓扑设计的同等系统相比，光受环境无序的影响更小。

"通过采用具有拓扑设计的光纤，研究人员将拥有通过建立固有的稳健的光子系统来预先阻止和预防信号衰减效应的工具。"

理论与实践的结合

巴斯大学物理学家彼得-莫斯利博士作为实验带头人共同撰写了这项研究，他说："以前，科学家们将拓扑学的复杂数学应用于光，但在巴斯大学，我们有很多物理制造光纤的经验，因此我们将数学与我们的专业知识结合起来，创造了拓扑光纤。"

该团队还包括博士生Guido Baardink和物理系的Josh Nunn博士，现在正在寻找行业合作伙伴，以进一步发展他们的概念。

"我们真的很想帮助人们建立强大的通信网络，我们已经为这项工作的下一阶段做好准备，"Souslov博士说。

罗伯茨先生补充说："我们已经表明，你可以使数公里的拓扑光纤缠绕在一个线轴上。我们设想了一个量子互联网，在那里，信息将利用拓扑学原理在各大洲稳健地传输。"

他还指出，这项研究的意义超越了通信网络。他说："光纤开发不仅是一项技术挑战，而且其本身也是一个令人兴奋的科学领域。

"了解如何对光纤进行工程设计，导致了从跨越整个可见光谱的明亮'超连续'到产生单个光子--单个光粒子的量子光源。"

未来是量子化的

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。量子技术有能力以比今天的 "经典 "计算机更强大的方式存储和处理信息，以及在全球网络中安全地发送信息而没有任何窃听的机会。

但是传输信息的光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。这项工作可能是利用拓扑设计在光纤中维护量子信息的一个步骤。