L'équipe a fabriqué des fibres optiques (les canaux de verre flexibles par lesquels l'information est transmise) capables de protéger la lumière (le milieu de transmission des données) grâce aux mathématiques de la topologie. Mieux encore, ces fibres modifiées sont facilement adaptables, ce qui signifie que la structure de chaque fibre peut être conservée sur des milliers de kilomètres.

Dans sa forme la plus simple, la fibre optique — qui a généralement un diamètre de 125 µm (semblable à celui d'un cheveu épais) — est constituée d'un cœur en verre solide entouré d'une gaine. La lumière traverse le cœur, où elle est réfléchie comme dans un miroir.

Cependant, le trajet d'une fibre optique dans son environnement est rarement rectiligne et continu : torsions, boucles et coudes sont fréquents. Ces distorsions peuvent dégrader les informations transmises entre l'émetteur et le récepteur.

« Le défi consistait à construire un réseau qui prenne en compte la robustesse», explique Nathan Roberts, doctorant en physique qui a dirigé la recherche.

« Lors de la fabrication d'un câble à fibres optiques, de légères variations dans la structure physique de la fibre sont inévitables. Une fois déployée dans un réseau, la fibre peut également se tordre et se courber. Pour contrer ces variations et ces défauts, il est essentiel que la conception de la fibre mette l'accent sur la robustesse. C'est là que les concepts de topologie s'avèrent utiles. ».

Pour concevoir cette nouvelle fibre, l'équipe de Bath a eu recours à la topologie, l'étude mathématique des grandeurs qui demeurent constantes malgré les distorsions géométriques continues. Ses principes sont déjà appliqués dans de nombreux domaines de la recherche en physique. En reliant les phénomènes physiques à des nombres invariables, on peut éviter les effets destructeurs d'un environnement désordonné.

La fibre conçue par l'équipe de Bath exploite des principes topologiques en intégrant plusieurs cœurs conducteurs de lumière au sein d'une même fibre, enroulés en spirale. La lumière peut passer d'un cœur à l'autre, mais reste confinée à la périphérie grâce à cette conception topologique. Ces états de bord sont ainsi protégés des perturbations structurelles.

Selon les mots du Dr Anton Souslov, physicien basé à Bath et co-auteur de l'étude, à qui l'on doit la théorie : « Grâce à notre fibre, la lumière est moins influencée par le désordre ambiant que dans un système équivalent dépourvu de conception topologique. »

« En adoptant des fibres optiques à conception topologique, les chercheurs disposeront des outils nécessaires pour éviter et prévenir les effets de la dégradation du signal en construisant des systèmes photoniques intrinsèquement robustes. ».

La théorie rencontre la pratique

Le Dr Peter Mosley, physicien à Bath et co-auteur de l'étude en tant que directeur expérimental, a déclaré : « Jusqu'à présent, les scientifiques appliquaient la théorie à la pratique : « Auparavant, les scientifiques appliquaient les mathématiques complexes de la topologie à la lumière, mais ici à l'Université de Bath, nous avons une grande expérience dans la fabrication physique des fibres optiques, nous avons donc combiné les mathématiques avec notre expertise pour créer la fibre topologique. »

L'équipe, qui comprend également le doctorant Guido Baardink et le Dr Josh Nunn du département de physique, recherche actuellement des partenaires industriels pour développer davantage son concept.

« Nous sommes très désireux d'aider les gens à construire des réseaux de communication solides et nous sommes prêts pour la prochaine phase de ce travail », a déclaré le Dr Souslov.

Roberts a ajouté : « Nous avons démontré qu’il est possible de fabriquer des kilomètres de fibre topologique enroulée sur une bobine. Nous envisageons un internet quantique dans lequel l’information sera transmise de manière fiable à travers les continents grâce aux principes de la topologie. »

Il a souligné que ces recherches ont des implications qui dépassent le cadre des réseaux de communication. Il a ajouté : « Le développement de la fibre optique représente non seulement un défi technologique, mais aussi un domaine scientifique fascinant en soi. »

« La compréhension de la conception des fibres optiques a permis de créer des sources lumineuses allant du brillant « supercontinuum » qui couvre tout le spectre visible aux sources de lumière quantique qui produisent des photons individuels, des particules de lumière uniques. ».

L'avenir est quantique

Les réseaux quantiques devraient jouer un rôle technologique majeur dans les années à venir. Les technologies quantiques ont la capacité de stocker et de traiter l'information avec une puissance supérieure à celle des ordinateurs « classiques » actuels, ainsi que d'envoyer des messages de manière sécurisée sur les réseaux mondiaux sans possibilité d'écoute clandestine.

Cependant, les états quantiques de la lumière qui transmettent l'information sont très sensibles à leur environnement, et leur protection représente un défi majeur. Ces travaux pourraient constituer une avancée significative dans la préservation de l'information quantique dans les fibres optiques grâce à une conception topologique adaptée.

Ce travail remercie le Conseil de recherche en ingénierie et sciences physiques (EPSRC) (EP/T000961/1, EP/T001062/1), la Royal Society (RGS/R2/202135) et le Bureau de recherche scientifique de l'armée de l'air (FA8655-22-1-7028) pour leur financement.