10. Januar 2023 (Nanowerk-Neuigkeiten) Glasfasern sind das Rückgrat unserer modernen Informationsnetze. Von der Langstreckenkommunikation über das Internet bis hin zur Hochgeschwindigkeits-Informationsübertragung in Rechenzentren und Börsen bleiben Glasfasern in unserer globalisierten Welt von entscheidender Bedeutung. Fasernetzwerke sind jedoch strukturell nicht perfekt, und die Informationsübertragung kann beeinträchtigt werden, wenn etwas schief geht. Um dieses Problem anzugehen, haben Physiker der University of Bath eine neue Art von Glasfaser entwickelt, die die Robustheit von Netzwerken verbessern soll. Diese Robustheit könnte sich im kommenden Zeitalter der Quantennetzwerke als besonders wichtig erweisen. Das Team hat optische Fasern (die flexiblen Glaskanäle, durch die Informationen gesendet werden) hergestellt, die das Licht (das Medium, durch das Daten übertragen werden) unter Verwendung der Mathematik der Topologie schützen können. Das Beste ist, dass diese modifizierten Fasern leicht skalierbar sind, was bedeutet, dass die Struktur jeder Faser über Tausende von Kilometern erhalten bleiben kann. Die Bath-Studie ist in der neuesten Ausgabe von veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte(„Topologische Supermoden in photonischen Kristallfasern“).
Licht vor Unordnung schützen
Im einfachsten Fall besteht eine optische Faser – die typischerweise einen Durchmesser von 125 µm hat (ähnlich einer dicken Haarsträhne) – aus einem Kern aus massivem Glas, der von einer Ummantelung umgeben ist. Licht wandert durch den Kern, wo es abprallt, als ob es von einem Spiegel reflektiert würde. Allerdings ist der Weg, den ein Glasfaserkabel kreuz und quer durch die Landschaft nimmt, selten geradlinig und ungestört: Kehren, Schleifen und Biegungen sind die Regel. Verzerrungen in der Faser können dazu führen, dass sich Informationen verschlechtern, wenn sie zwischen Sender und Empfänger übertragen werden. „Die Herausforderung bestand darin, ein Netzwerk aufzubauen, das die Robustheit berücksichtigt“, sagte Physik-Doktorand Nathan Roberts, der die Forschung leitete. „Bei der Herstellung eines Glasfaserkabels sind zwangsläufig kleine Abweichungen in der physikalischen Struktur der Faser vorhanden. Beim Einsatz in einem Netzwerk kann die Faser auch verdreht und gebogen werden. Eine Möglichkeit, diesen Schwankungen und Mängeln entgegenzuwirken, besteht darin, sicherzustellen, dass beim Faserdesignprozess ein echter Fokus auf Robustheit gelegt wird. Hier fanden wir die Ideen der Topologie nützlich.“ Um diese neue Faser zu entwerfen, verwendete das Bath-Team die Topologie, die die mathematische Untersuchung von Größen ist, die trotz kontinuierlicher Verzerrungen der Geometrie unverändert bleiben. Seine Prinzipien werden bereits in vielen Bereichen der physikalischen Forschung angewendet. Indem physikalische Phänomene mit unveränderlichen Zahlen verbunden werden, können die zerstörerischen Auswirkungen einer ungeordneten Umgebung vermieden werden. Die vom Bath-Team entworfene Faser setzt topologische Ideen um, indem sie mehrere lichtleitende Kerne in einer Faser enthält, die spiralförmig miteinander verbunden sind. Licht kann zwischen diesen Kernen hin- und herspringen, wird aber dank des topologischen Designs innerhalb der Kante eingeschlossen. Diese Randzustände sind gegen Unordnung in der Struktur geschützt. Bath-Physiker Dr. Anton Souslov, der die Studie als theoretischer Leiter mitverfasst hat, sagte: „Durch die Verwendung unserer Faser wird das Licht weniger durch Umweltstörungen beeinflusst, als dies in einem äquivalenten System ohne topologisches Design der Fall wäre. „Durch den Einsatz von Glasfasern mit topologischem Design werden Forscher über die Werkzeuge verfügen, um signalverschlechternden Effekten vorzubeugen und sie zu verhindern, indem sie von Natur aus robuste photonische Systeme bauen.“Theorie trifft auf praktisches Know-how
Bath-Physiker Dr. Peter Mosley, der die Studie als experimenteller Leiter mitverfasst hat, sagte: „Früher haben Wissenschaftler die komplexe Mathematik der Topologie auf Licht angewendet, aber hier an der University of Bath haben wir viel Erfahrung mit der physikalischen Herstellung von Glasfasern Wir kombinieren die Mathematik mit unserem Fachwissen, um topologische Fasern zu erstellen.“ Das Team, zu dem auch der Doktorand Guido Baardink und Dr. Josh Nunn vom Departement Physik gehören, sucht nun nach Industriepartnern, um sein Konzept weiterzuentwickeln. „Wir sind sehr daran interessiert, Menschen beim Aufbau robuster Kommunikationsnetzwerke zu helfen, und wir sind bereit für die nächste Phase dieser Arbeit“, sagte Dr. Souslov. Herr Roberts fügte hinzu: „Wir haben gezeigt, dass man kilometerlange topologische Fasern um eine Spule wickeln kann. 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 sagte: „Die Faserentwicklung ist nicht nur eine technologische Herausforderung, sondern auch ein spannendes wissenschaftliches Gebiet für sich. „Das Verständnis, wie man optische Fasern konstruiert, hat zu Lichtquellen vom hellen ‚Superkontinuum‘ geführt, das das gesamte sichtbare Spektrum bis hinunter zu Quantenlichtquellen umfasst, die einzelne Photonen – einzelne Lichtteilchen – erzeugen.“Die Zukunft ist Quanten
Es wird allgemein erwartet, dass Quantennetzwerke in den kommenden Jahren eine wichtige technologische Rolle spielen werden. Quantentechnologien haben die Fähigkeit, Informationen leistungsfähiger zu speichern und zu verarbeiten, als es „klassische“ Computer heute können, sowie Nachrichten sicher über globale Netzwerke zu senden, ohne dass die Möglichkeit besteht, sie abzuhören. Aber die Quantenzustände des Lichts, die Informationen übertragen, werden leicht von ihrer Umgebung beeinflusst, und es ist eine große Herausforderung, einen Weg zu finden, sie zu schützen. Diese Arbeit könnte ein Schritt zur Aufrechterhaltung der Quanteninformation in der Faseroptik durch topologisches Design sein.- SEO-gestützte Content- und PR-Distribution. Holen Sie sich noch heute Verstärkung.
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