As fibras ópticas são a espinha dorsal de nossas modernas redes de informação. Da comunicação de longo alcance pela Internet à transferência de informações em alta velocidade em data centers e bolsas de valores, a fibra óptica continua sendo essencial em nosso mundo globalizado.
As redes de fibra não são, no entanto, estruturalmente perfeitas e a transferência de informações pode ser comprometida quando as coisas dão errado. Para resolver esse problema, físicos da Universidade de Bath, no Reino Unido, desenvolveram um novo tipo de fibra projetada para aumentar a robustez das redes. Essa robustez pode ser especialmente importante na próxima era das redes quânticas.
A equipe fabricou fibras ópticas (os canais de vidro flexíveis através dos quais as informações são enviadas) que podem proteger a luz (o meio através do qual os dados são transmitidos) usando a matemática da topologia. O melhor de tudo é que essas fibras modificadas são facilmente escaláveis, o que significa que a estrutura de cada fibra pode ser preservada por milhares de quilômetros.
O estudo de Bath foi publicado na última edição da Avanços da ciência.
Protegendo a luz contra a desordem
Na sua forma mais simples, a fibra óptica, que normalmente tem um diâmetro de 125 µm (semelhante a um fio de cabelo grosso), compreende um núcleo de vidro sólido cercado por revestimento. A luz viaja através do núcleo, onde é refletida como se refletisse em um espelho.
No entanto, o caminho percorrido por uma fibra óptica ao cruzar a paisagem raramente é reto e imperturbável: curvas, loops e curvas são a norma. Distorções na fibra podem fazer com que as informações se degradem à medida que se movem entre o emissor e o receptor. “O desafio era construir uma rede que levasse em conta a robustez”, disse o estudante de doutorado em física Nathan Roberts, que liderou a pesquisa.
“Sempre que você fabrica um cabo de fibra óptica, pequenas variações na estrutura física da fibra são inevitavelmente presentes. Quando implantada em uma rede, a fibra também pode ficar torcida e dobrada. Uma forma de combater essas variações e defeitos é garantir a o processo de projeto de fibra inclui um foco real na robustez. É aqui que achamos as ideias de topologia úteis.”
Para projetar essa nova fibra, a equipe de Bath usou a topologia, que é o estudo matemático das quantidades que permanecem inalteradas apesar das distorções contínuas na geometria. Seus princípios já são aplicados a muitas áreas de pesquisa em física. Ao conectar fenômenos físicos a números imutáveis, os efeitos destrutivos de um ambiente desordenado podem ser evitados.
A fibra projetada pela equipe de Bath implanta ideias topológicas ao incluir vários núcleos condutores de luz em uma fibra, ligados em espiral. A luz pode pular entre esses núcleos, mas fica presa na borda graças ao design topológico. Esses estados de borda são protegidos contra a desordem na estrutura.
O físico de Bath, Anton Souslov, co-autor do estudo como líder teórico, disse: “Usando nossa fibra, a luz é menos influenciada pela desordem ambiental do que seria em um sistema equivalente sem design topológico.
“Ao adotar fibras ópticas com design topológico, os pesquisadores terão as ferramentas para antecipar e prevenir efeitos de degradação de sinal construindo sistemas fotônicos inerentemente robustos”.
A teoria encontra o conhecimento prático
O físico de Bath, Dr. Peter Mosley, co-autor do estudo como líder experimental, disse: “Anteriormente, os cientistas aplicaram a matemática complexa da topologia à luz, mas aqui na Universidade de Bath temos muita experiência em fazer fibras ópticas fisicamente, então juntamos a matemática com nossa experiência para criar fibra topológica.”
A equipe, que também inclui o estudante de doutorado Guido Baardink e o Dr. Josh Nunn, do Departamento de Física, agora está procurando parceiros da indústria para desenvolver ainda mais seu conceito.
“Estamos realmente interessados em ajudar as pessoas a construir redes de comunicação robustas e estamos prontos para a próxima fase deste trabalho”, disse o Dr. Souslov.
Roberts acrescentou: “Mostramos que você pode fazer quilômetros de fibra topológica enrolados em um carretel. Prevemos uma internet quântica onde as informações serão transmitidas de forma robusta entre os continentes usando princípios topológicos”.
Ele também destacou que esta pesquisa tem implicações que vão além das redes de comunicação. Ele disse: “O desenvolvimento de fibras não é apenas um desafio tecnológico, mas também um campo científico empolgante por si só.
“Entender como projetar fibra óptica levou a fontes de luz de ‘supercontínuo’ brilhante que abrange todo o espectro visível até fontes de luz quântica que produzem fótons individuais – partículas únicas de luz.”
O futuro é quântico
Espera-se que as redes quânticas desempenhem um importante papel tecnológico nos próximos anos. As tecnologias quânticas têm a capacidade de armazenar e processar informações de maneiras mais poderosas do que os computadores ‘clássicos’ de hoje, além de enviar mensagens com segurança através de redes globais sem qualquer chance de espionagem.
Mas os estados quânticos de luz que transmitem informações são facilmente afetados por seu ambiente e encontrar uma maneira de protegê-los é um grande desafio. Este trabalho pode ser um passo para manter a informação quântica em fibra óptica usando design topológico.
Com informações de Science Daily.