ねじれても、曲げても、データを守る光ファイバー(The optical fibre that keeps data safe even after being twisted or bent)

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物理学者は、数学の概念であるトポロジーを利用して堅牢性を維持し、情報の高速転送を保証する光ファイバーを開発しました。 Physicists have created an optical fibre that uses the maths concept of topology to remain robust, thereby guaranteeing the high-speed transfer of information.

2023-01-10 バース大学

 光ファイバーは、現代の情報ネットワークのバックボーンとなっています。インターネットを介した長距離通信から、データセンターや証券取引所での高速情報転送まで、光ファイバーはグローバル化した世界において、依然として重要な役割を果たしています。しかし、光ファイバーネットワークは構造的に完全ではなく、うまくいかないと情報転送に支障をきたすことがあります。この問題に対処するため、バース大学の物理学者らは、ネットワークの堅牢性を高めるために設計された新しい種類のファイバーを開発しました。この堅牢性は、来るべき量子ネットワーク時代において特に重要なものとなる可能性がある。
研究チームは、トポロジーという数学を使って、光(データを伝送する媒体)を保護することができる光ファイバー(情報を伝送する柔軟なガラス管)を作製した。この光ファイバーの構造は、数千キロメートルにわたって維持することができる。
バース大学の研究は、『Science Advances』誌の最新号に掲載されている。

光ファイバーは、直径125μm(髪の毛の太さと同じ)の固体ガラスのコアをクラッドが取り囲んだ構造をしており、その構造は最も単純である。光はコアの中を通り、まるで鏡に反射するように跳ね返ります。しかし、光ファイバーが地表を横切るとき、まっすぐな道はほとんどなく、曲がったり、輪になったり、曲がったりするのが普通である。光ファイバーに歪みがあると、送信側と受信側の間で情報が劣化してしまうのです。
この研究を率いた物理学博士のネイサン・ロバーツ氏は、「課題は、堅牢性を考慮したネットワークを構築することでした」と述べています。
「光ファイバーケーブルを製造する際には、ファイバーの物理的な構造に必ず小さなばらつきが生じます。また、ネットワークに接続すると、ファイバーがねじれたり曲がったりすることがあります。このようなばらつきや不具合に対処する一つの方法は、ファイバーの設計プロセスでロバスト性に真にフォーカスすることです。そこで、トポロジーの考え方が役に立ちました。
この新しいファイバーを設計するために、バース研究チームは、幾何学的な連続的な歪みにもかかわらず変化しない量についての数学的研究であるトポロジーを使用しました。トポロジーの原理は、すでに物理学の研究の多くの分野で応用されている。物理現象を不変の数に結びつけることで、無秩序な環境による破壊的な影響を回避することができる。
Bathの研究チームが設計したファイバーは、ファイバー内に複数の導光コアを含み、螺旋状に連結することでトポロジーの考え方を導入している。光はこれらのコア間をホップすることができるが、トポロジカル設計によりエッジ内にトラップされるようになる。これらのエッジ状態は、構造上の無秩序から保護されている。
この研究の理論的リードとして共同執筆したBathの物理学者、Dr. Anton Souslovは、次のように述べています。「私たちのファイバーを使えば、光は、トポロジカルデザインを欠いた同等のシステムで起こるよりも、環境の乱れの影響を受けにくくなります。
光ファイバーの設計方法を理解することで、可視スペクトル全体をカバーする明るい「スーパーコンティニューム」から、個々の光子(光の粒子)を生成する「量子光源」までの光源を実現することができました。
量子ネットワークは、今後数年間で重要な技術的役割を果たすと広く期待されています。量子テクノロジーは、古典的なコンピューターよりも強力な方法で情報を保存・処理し、盗聴の可能性がないグローバルなネットワークで安全にメッセージを送信する能力を備えている。
しかし、情報を伝達する光の量子状態は環境の影響を受けやすく、それを保護する方法を見つけることが大きな課題となっています。今回の研究は、トポロジカルデザインを用いた光ファイバーにおける量子情報の維持に向けた一歩となるかもしれません。

<関連情報>

フォトニック結晶ファイバーにおけるトポロジカルスーパーモード Topological supermodes in photonic crystal fiber

Nathan Roberts,Guido Baardink ,Josh Nunn,Peter J. Mosley,Anton Souslov
Science Advances  Published:21 Dec 2022
DOI: 10.1126/sciadv.add3522

Abstract

Topological states enable robust transport within disorder-rich media through integer invariants inextricably tied to the transmission of light, sound, or electrons. However, the challenge remains to exploit topological protection in a length-scalable platform such as optical fiber. We demonstrate, through both modeling and experiment, optical fiber that hosts topological supermodes across multiple light-guiding cores. We directly measure the photonic winding number invariant characterizing the bulk and observe topological guidance of visible light over meter length scales. Furthermore, the mechanical flexibility of fiber allows us to reversibly reconfigure the topological state. As the fiber is bent, we find that the edge states first lose their localization and then become relocalized because of disorder. We envision fiber as a scalable platform to explore and exploit topological effects in photonic networks.

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