英国巴斯大学的物理学家们利用拓扑学的数学概念，创造了一种能够保持稳健的光纤，从而确保高速信息传输。.该团队利用拓扑学的数学原理，制造出了能够屏蔽光（数据传输介质）的光纤（信息传输的柔性玻璃通道）。更重要的是，这些改良后的光纤易于扩展，这意味着每根光纤的结构都可以在数千公里的距离内保持不变。.
最简单的光纤——其直径通常为125微米（与一根粗头发的直径相仿）——由包裹在外的实心玻璃纤芯组成。光线穿过纤芯，然后像镜子反射一样反射回来。.
然而，光纤在环境中传输的路径很少是笔直且畅通无阻的：扭曲、环路和弯曲是常态。光纤中的畸变会降低发射器和接收器之间传输的信息质量。.
“挑战在于构建一个兼顾稳健性的网络，”领导这项研究的物理学博士生内森·罗伯茨解释说。
“光纤电缆在制造过程中，其物理结构出现微小偏差是不可避免的。部署到网络中后，光纤也可能发生扭曲和弯曲。应对这些偏差和缺陷的一种方法是确保光纤设计过程真正注重稳健性。而拓扑概念正是在这方面发挥作用。”.
为了设计这种新型纤维，巴斯大学的研究团队运用了拓扑学——一门研究几何形状不断变形却依然保持不变的物理量的数学学科。拓扑学的原理已被应用于物理学的许多研究领域。通过将物理现象与不变的物理量联系起来，可以避免无序环境带来的破坏性影响。.
巴斯大学团队设计的这种光纤运用了拓扑学原理，在一根光纤内包含多个光导芯，并以螺旋方式缠绕在一起。光可以在这些光导芯之间跃迁，但由于拓扑结构的设计，光会被限制在光纤边缘。这些边缘态能够免受结构紊乱的影响。.
巴斯物理学家、该研究的合著者、理论提出者安东·苏斯洛夫博士说： “使用我们的光纤，光受环境无序的影响比在缺乏拓扑设计的等效系统中要小。”
“通过采用拓扑设计的光纤，研究人员将拥有必要的工具来构建本质上稳健的光子系统，从而避免和防止信号退化的影响。”.
理论与实践
巴斯大学物理学家、该研究的共同作者兼实验主任彼得·莫斯利博士说： “在此之前，科学家们一直将理论应用于实践：以前，科学家们将复杂的拓扑数学应用于光，但在巴斯大学，我们在光纤的物理制造方面拥有丰富的经验，因此我们将数学与我们的专业知识相结合，创造出了拓扑光纤。”
该团队还包括物理系的博士生 Guido Baardink 和 Josh Nunn 博士，目前正在寻找工业合作伙伴，以进一步开发其概念。.
苏斯洛夫博士说： “我们非常渴望帮助人们建立强大的沟通网络，并已准备好进入这项工作的下一阶段。”
罗伯茨补充道： “我们已经证明，可以制造出缠绕在卷轴上的数公里长的拓扑光纤。我们设想，未来将有一个量子互联网，利用拓扑原理，信息可以跨越各大洲进行稳健传输。”
他指出，这项研究的意义远不止于通信网络。他补充道： “光纤的开发不仅是一项技术挑战，它本身也是一个引人入胜的科学领域。”
“了解如何设计光纤已经催生出各种各样的光源，从覆盖整个可见光谱的绚丽‘超连续谱’到产生单个光子（单个光粒子）的量子光源。”.
未来是量子时代的。
预计量子网络将在未来几年发挥重要的技术作用。量子技术能够比目前的“经典”计算机更强大地存储和处理信息，并且能够安全地通过全球网络发送信息，而无需担心被窃听。.
然而，传输信息的量子光态极易受到环境影响，如何保护这些量子态是一项重大挑战。这项工作或许能通过拓扑设计，为在光纤中保存量子信息迈出重要一步。.
本研究衷心感谢工程和物理科学研究委员会 (EPSRC) (EP/T000961/1, EP/T001062/1)、皇家学会 (RGS/R2/202135) 和空军科学研究办公室 (FA8655-22-1-7028) 的资助。.
