Dem Team ist es gelungen, mithilfe topologischer Mathematik optische Fasern (die flexiblen Glaskanäle, durch die Informationen übertragen werden) herzustellen, die das Licht (das Medium, durch das Daten gesendet werden) abschirmen können. Besonders vorteilhaft ist, dass diese modifizierten Fasern leicht skalierbar sind, sodass die Struktur jeder einzelnen Faser über Tausende von Kilometern erhalten bleibt.

In ihrer einfachsten Form besteht eine optische Faser – typischerweise mit einem Durchmesser von 125 µm (ähnlich dem eines dicken Haares) – aus einem massiven Glaskern, der von einem Mantel umgeben ist. Licht durchdringt den Kern und wird dort wie von einem Spiegel reflektiert.

Der Weg einer Glasfaser durch ihre Umgebung ist jedoch selten geradlinig und ununterbrochen: Verdrehungen, Schleifen und Biegungen sind die Regel. Verzerrungen in der Faser können die zwischen Sender und Empfänger übertragenen Informationen beeinträchtigen.

„Die Herausforderung bestand darin, ein Netzwerk zu entwickeln, das Robustheit berücksichtigt“, erklärt Nathan Roberts, Doktorand der Physik, der die Forschung leitete.

„Bei der Herstellung von Glasfaserkabeln sind geringfügige Abweichungen in der physikalischen Struktur der Faser unvermeidlich. Im Netzwerkeinsatz kann die Faser zudem verdreht und gebogen werden. Um diesen Abweichungen und Defekten entgegenzuwirken, muss der Faserdesignprozess unbedingt auf Robustheit ausgelegt sein. Hierbei erweisen sich Topologiekonzepte als nützlich.“.

Für die Entwicklung dieser neuen Faser nutzte das Team aus Bath die Topologie, die mathematische Untersuchung von Größen, die trotz kontinuierlicher geometrischer Verzerrungen konstant bleiben. Ihre Prinzipien finden bereits in vielen Bereichen der physikalischen Forschung Anwendung. Indem physikalische Phänomene mit unveränderlichen Zahlen verknüpft werden, lassen sich die zerstörerischen Auswirkungen einer ungeordneten Umgebung vermeiden.

Die vom Team aus Bath entwickelte Faser nutzt topologische Prinzipien, indem sie mehrere lichtleitende Kerne in einer einzigen Faser vereint, die spiralförmig umeinander gewickelt sind. Licht kann zwischen diesen Kernen springen, wird aber dank der topologischen Struktur an den Rändern eingefangen. Diese Randzustände sind vor strukturellen Störungen geschützt.

Dr. Anton Souslov, ein in Bath ansässiger Physiker und Mitautor der Studie, der für die Theorie verantwortlich ist, sagte dazu: „Durch die Verwendung unserer Faser wird das Licht weniger von der Umgebungsunordnung beeinflusst als in einem gleichwertigen System ohne topologisches Design.“

„Durch die Verwendung von optischen Fasern mit topologischem Design erhalten Forscher die notwendigen Werkzeuge, um die Auswirkungen von Signalbeeinträchtigungen zu vermeiden und zu verhindern, indem sie intrinsisch robuste photonische Systeme aufbauen.“.

Theorie trifft Praxis

Dr. Peter Mosley, Physiker aus Bath und Mitautor der Studie als experimenteller Leiter, sagte: „Bisher haben Wissenschaftler die Theorie in die Praxis umgesetzt: „Früher haben Wissenschaftler die komplexe Mathematik der Topologie auf Licht angewendet, aber hier an der Universität Bath haben wir viel Erfahrung in der physikalischen Herstellung von optischen Fasern, daher haben wir die Mathematik mit unserem Fachwissen kombiniert, um die topologische Faser zu entwickeln.“

Das Team, zu dem auch Doktorand Guido Baardink und Dr. Josh Nunn vom Fachbereich Physik gehören, sucht nun nach Industriepartnern, um sein Konzept weiterzuentwickeln.

„Wir freuen uns sehr darauf, Menschen beim Aufbau starker Kommunikationsnetzwerke zu helfen und sind bereit für die nächste Phase dieser Arbeit“, sagte Dr. Souslov.

Roberts fügte hinzu: „Wir haben gezeigt, dass kilometerlange topologische Fasern, die auf eine Spule gewickelt sind, hergestellt werden können. Wir stellen uns ein Quanteninternet vor, in dem Informationen mithilfe topologischer Prinzipien robust über Kontinente hinweg übertragen werden.“

Er wies darauf hin, dass diese Forschung Implikationen hat, die über Kommunikationsnetze hinausgehen. Er fügte hinzu: „Die Entwicklung der Glasfasertechnik ist nicht nur eine technologische Herausforderung, sondern auch ein faszinierendes wissenschaftliches Gebiet für sich.“

„Das Verständnis für die Konstruktion von Glasfasern hat zu Lichtquellen geführt, die vom brillanten ‚Superkontinuum‘, das das gesamte sichtbare Spektrum abdeckt, bis hin zu Quantenlichtquellen reichen, die einzelne Photonen, also einzelne Lichtteilchen, erzeugen.“.

Die Zukunft ist quantenmechanisch

Quantennetzwerke werden in den kommenden Jahren voraussichtlich eine bedeutende technologische Rolle spielen. Quantentechnologien sind in der Lage, Informationen leistungsfähiger zu speichern und zu verarbeiten als heutige „klassische“ Computer und Nachrichten sicher über globale Netzwerke zu senden, ohne dass ein Abhören möglich ist.

Die Quantenzustände des Lichts, die Informationen übertragen, werden jedoch leicht von ihrer Umgebung beeinflusst, und es stellt eine große Herausforderung dar, sie zu schützen. Diese Arbeit könnte ein Schritt nach vorn sein, um Quanteninformationen in optischen Fasern durch topologische Gestaltung zu erhalten.

Diese Arbeit wird dankend dem Engineering and Physical Sciences Research Council (EPSRC) (EP/T000961/1, EP/T001062/1), der Royal Society (RGS/R2/202135) und dem Air Force Office of Scientific Research (FA8655-22-1-7028) für die finanzielle Unterstützung anerkannt.