Les fibres optiques sont l’épine dorsale de nos réseaux d’information modernes. De la communication longue portée sur Internet au transfert d’informations à haut débit dans les centres de données et les bourses, la fibre optique reste essentielle dans notre monde globalisé.
Les réseaux de fibre ne sont cependant pas structurellement parfaits et le transfert d’informations peut être compromis en cas de problème. Pour résoudre ce problème, des physiciens de l’Université de Bath au Royaume-Uni ont développé un nouveau type de fibre conçu pour améliorer la robustesse des réseaux. Cette robustesse pourrait s’avérer particulièrement importante à l’ère des réseaux quantiques.
L’équipe a fabriqué des fibres optiques (les canaux de verre flexibles par lesquels l’information est envoyée) qui peuvent protéger la lumière (le moyen par lequel les données sont transmises) en utilisant les mathématiques de la topologie. Mieux encore, ces fibres modifiées sont facilement évolutives, ce qui signifie que la structure de chaque fibre peut être préservée sur des milliers de kilomètres.
L’étude de Bath est publiée dans le dernier numéro de Avancées scientifiques.
Protéger la lumière contre le désordre
Dans sa forme la plus simple, la fibre optique, qui a généralement un diamètre de 125 µm (similaire à une mèche de cheveux épaisse) comprend un noyau de verre solide entouré d’une gaine. La lumière voyage à travers le noyau, où elle rebondit comme si elle se reflétait sur un miroir.
Cependant, le chemin emprunté par une fibre optique lorsqu’elle sillonne le paysage est rarement droit et non perturbé : virages, boucles et virages sont la norme. Les distorsions dans la fibre peuvent entraîner une dégradation des informations lorsqu’elles se déplacent entre l’expéditeur et le destinataire. « Le défi était de construire un réseau qui tienne compte de la robustesse », a déclaré Ph.D. Physics. étudiant Nathan Roberts, qui a dirigé la recherche.
« Chaque fois que vous fabriquez un câble à fibre optique, de petites variations dans la structure physique de la fibre sont inévitablement présentes. Lorsqu’elle est déployée dans un réseau, la fibre peut également se tordre et se plier. Une façon de contrer ces variations et ces défauts est de s’assurer que la Le processus de conception de la fibre met l’accent sur la robustesse. C’est là que nous avons trouvé les idées de topologie utiles. »
Pour concevoir cette nouvelle fibre, l’équipe de Bath a utilisé la topologie, qui est l’étude mathématique de quantités qui restent inchangées malgré des distorsions continues de la géométrie. Ses principes sont déjà appliqués à de nombreux domaines de la recherche en physique. En reliant les phénomènes physiques à des nombres immuables, les effets destructeurs d’un environnement désordonné peuvent être évités.
La fibre conçue par l’équipe de Bath déploie des idées topologiques en incluant plusieurs noyaux guides de lumière dans une fibre, reliés entre eux en spirale. La lumière peut sauter entre ces noyaux mais reste piégée dans le bord grâce à la conception topologique. Ces états de bord sont protégés contre les désordres dans la structure.
Le physicien de Bath, le Dr Anton Souslov, co-auteur de l’étude en tant que responsable de la théorie, a déclaré : « En utilisant notre fibre, la lumière est moins influencée par les désordres environnementaux qu’elle ne le serait dans un système équivalent dépourvu de conception topologique.
« En adoptant des fibres optiques avec une conception topologique, les chercheurs disposeront des outils nécessaires pour anticiper et prévenir les effets de dégradation du signal en construisant des systèmes photoniques intrinsèquement robustes. »
La théorie rencontre l’expertise pratique
Le physicien de Bath, le Dr Peter Mosley, co-auteur de l’étude en tant que responsable expérimental, a déclaré : « Auparavant, les scientifiques ont appliqué les mathématiques complexes de la topologie à la lumière, mais ici, à l’Université de Bath, nous avons beaucoup d’expérience dans la fabrication physique de fibres optiques, nous avons donc associé les mathématiques à notre expertise pour créer une fibre topologique. »
L’équipe, qui comprend également un doctorat. l’étudiant Guido Baardink et le Dr Josh Nunn du Département de physique recherchent maintenant des partenaires de l’industrie pour développer davantage leur concept.
« Nous sommes vraiment désireux d’aider les gens à construire des réseaux de communication robustes et nous sommes prêts pour la prochaine phase de ce travail », a déclaré le Dr Souslov.
M. Roberts a ajouté : « Nous avons montré que vous pouvez faire des kilomètres de fibre topologique enroulée autour d’une bobine. Nous envisageons un Internet quantique où les informations seront transmises de manière robuste à travers les continents en utilisant des principes topologiques.
Il a également souligné que cette recherche a des implications qui vont au-delà des réseaux de communication. Il a déclaré : « Le développement de la fibre n’est pas seulement un défi technologique, mais aussi un domaine scientifique passionnant à part entière.
« Comprendre comment concevoir la fibre optique a conduit à des sources lumineuses allant du » supercontinuum « lumineux qui couvre tout le spectre visible jusqu’aux sources lumineuses quantiques qui produisent des photons individuels – des particules de lumière uniques. »
Le futur est quantique
On s’attend à ce que les réseaux quantiques jouent un rôle technologique important dans les années à venir. Les technologies quantiques ont la capacité de stocker et de traiter les informations de manière plus puissante que les ordinateurs « classiques » aujourd’hui, ainsi que d’envoyer des messages en toute sécurité sur les réseaux mondiaux sans aucune possibilité d’écoute clandestine.
Mais les états quantiques de la lumière qui transmettent l’information sont facilement impactés par leur environnement et trouver un moyen de les protéger est un défi majeur. Ce travail peut être une étape vers le maintien de l’information quantique dans les fibres optiques en utilisant la conception topologique.
Plus d’information:
Nathan Roberts et al, Supermodes topologiques dans la fibre à cristal photonique, Avancées scientifiques (2022). DOI : 10.1126/sciadv.add3522