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捻れ、曲げてもデータの安全を保つ光ファイバ

January, 23, 2023, Bath--物理学者は、数学のトポロジー概念を使い、堅牢性を維持する光ファイバを開発した。これは、情報の高速伝送を保証する。

ファイバネットワークは、構造的に完全ではない。物事がうまく行かないと情報転送は妥協があり得る。この問題に対処するためにバース大学の物理学者は、ネットワークの堅牢さを強化する新しい種類のファイバを開発した。堅牢さは、今後の量子ネットワーク時代では特に重要であることが分かっている。

研究チームは、トポロジー数学を利用して光を保護することができる光ファイバを作製した。特に、これら改良されたファイバは容易に拡張可能である、つまり、個々のファイバの構造は、数千kmにわたり維持できる。

研究成果は、Science Advancesに発表されている。

障害に対して光を保護
最も単純化すると、光ファイバは、一般に125µm径であり、クラッドで囲まれた固体ガラスコア。光はコアを伝播し、そこではミラーから反射するかのように跳ね返る。

しかし、土地を縦横に走る光ファイバの経路は、直線であることもなく、乱されないことも滅多にない。回転、ループ、曲がっていることは普通である。ファイバの歪により情報は、送信者と受信者の間で劣化する。

「堅牢さを考慮に入れたネットワークの構築が課題であった」と研究リーダー、物理学Ph.D学生、Nathan Robertsは、言う。

「光ファイバケーブルを製造するときはいつでも、ファイバの物理的構造における小さな変動が、不可避的に存在する。ネットワークに導入すると、ファイバは、捻れたり曲がったりする。これらの変動、欠陥に対処する一つの方法は、ファイバ設計プロセスが、堅牢性の実際的重視を含むこと。これは、われわれが、トポロジーという考えが有用であると確認したところである」

この新しいファイバを設計するためにバースチームは、トポロジーを利用した。これは、形状への連続的歪にもかかわらず不変のままである量の数学的研究。その原理は、すでに物理学研究の多くの分野に適用されている。物理現象を不変数につなげることで、無秩序環境の破壊的影響を回避できる。

バースチームが設計したファイバは、ファイバに複数の導光コアを含んでおり、スパイラルにリンクされることでトポロジカルな考えを導入している。光は、これらのコア間でホップすることはできるが、トポロジカル設計により、エッジ内にトラップされる。これらエッジ状態は、構造の無秩序に対して保護されている。

バース物理学者、研究の共著者、理論的リーダー、Dr Anton Souslovは、「われわれのファイバを使うと、トポロジカル設計が欠如した同等のシステムと比較して、光に対する環境的無秩序の影響が少ない。
 トポロジカル設計の光ファイバを採用することで研究者は、本質的にロバストなフォトニックシステムを構築し、信号劣化の影響に先手を打って、未然に防ぐツールを手にすることになる」と説明している。

理論と実践的専門知識の一致
バース物理学者、Dr Peter Mosley、実験リーダーとして研究の共著者は、「以前には、研究者は、光に複雑なトポロジー数学を適用していたが、ここバース大学ではわれわれは、光ファイバを物理的に作製する豊富な経験があるので、その数学とわれわれの専門知識を統合して、トポロジカルファイバを実現した」と語っている。

物理学部Ph.D学生、Guido Baardink と Dr Josh Nunnを含むチームは、そのコンセプトをさらに発展させる産業パートナーを探している。

未来は量子
量子ネットワークは、今後数年で重要な技術的役割を担うと広く期待されている。量子技術は、今日の「古典的」コンピュータよりも遙かに強力な方法で情報を蓄積、処理することができる。また、盗聴なしにグローバルネットワークでセキュアにメッセージを送ることができる。

しかし、情報を送る光の量子状態は、環境の影響を簡単に受ける。それらを保護する方法を見つけることは、主要な課題となっている。今回の研究は、トポロジカル設計を使うことでファイバオプティクスにおける量子情報維持への一歩前進と考えられる。
(詳細は、https://www.bath.ac.uk/)