Los físicos de la Universidad de Bath en UK han creado una fibra óptica que utiliza el concepto matemático de topología para mantenerse robusta, garantizando así la transferencia de información a alta velocidad.

Las redes de fibra no son estructuralmente perfectas y la transferencia de información puede verse comprometida cuando las cosas van mal. Para solucionar este problema, físicos de la Universidad de Bath han desarrollado un nuevo tipo de fibra diseñada para aumentar la robustez de las redes. Esta robustez podría resultar especialmente importante en la próxima era de las redes cuánticas.

El equipo ha fabricado fibras ópticas (los canales flexibles de vidrio por los que se envía la información) que pueden proteger la luz (el medio por el que se transmiten los datos) utilizando las matemáticas de la topología. Lo mejor de todo es que estas fibras modificadas son fácilmente escalables, lo que significa que la estructura de cada fibra puede conservarse a lo largo de miles de kilómetros.

En su forma más simple, la fibra óptica -que suele tener un diámetro de 125 µm (similar al de un mechón grueso de pelo)- consta de un núcleo de vidrio sólido rodeado de un revestimiento. La luz atraviesa el núcleo, donde rebota como si se reflejara en un espejo.

Sin embargo, el camino que recorre una fibra óptica al atravesar el entorno rara vez es recto e imperturbable: los giros, bucles y curvas son la norma. Las distorsiones de la fibra pueden degradar la información entre emisor y receptor.

"El reto consistía en construir una red que tuviera en cuenta la robustez", explica Nathan Roberts, estudiante de doctorado en Física que dirigió la investigación.

"Cuando se fabrica un cable de fibra óptica, es inevitable que se produzcan pequeñas variaciones en la estructura física de la fibra. Cuando se despliega en una red, la fibra también puede retorcerse y doblarse. Una forma de contrarrestar estas variaciones y defectos es garantizar que el proceso de diseño de la fibra incluya un enfoque real en la robustez. Aquí es donde encontramos útiles las ideas de topología".

Para diseñar esta nueva fibra, el equipo de Bath utilizó la topología, que es el estudio matemático de las cantidades que permanecen invariables a pesar de las continuas distorsiones de la geometría. Sus principios ya se aplican a muchas áreas de la investigación física. Al conectar los fenómenos físicos con números invariables, se pueden evitar los efectos destructivos de un entorno desordenado.

La fibra diseñada por el equipo de Bath aplica ideas topológicas incluyendo varios núcleos conductores de luz en una fibra, unidos entre sí en espiral. La luz puede saltar entre estos núcleos, pero queda atrapada en el borde gracias al diseño topológico. Estos estados del borde están protegidos contra el desorden de la estructura.

En palabras del Dr. Anton Souslov, físico de Bath y coautor del estudio como responsable de la teoría: "Utilizando nuestra fibra, la luz se ve menos influida por el desorden ambiental de lo que estaría en un sistema equivalente carente de diseño topológico".

"Al adoptar fibras ópticas con diseño topológico, los investigadores dispondrán de las herramientas necesarias para evitar y prevenir los efectos de degradación de la señal mediante la construcción de sistemas fotónicos intrínsecamente robustos".

La teoría se une a la práctica

El Dr. Peter Mosley, físico de Bath y coautor del estudio en calidad de director experimental, afirmó: "Hasta ahora, los científicos habían aplicado la teoría a la práctica: "Anteriormente, los científicos habían aplicado las complejas matemáticas de la topología a la luz, pero aquí, en la Universidad de Bath, tenemos mucha experiencia en la fabricación física de fibras ópticas, así que juntamos las matemáticas con nuestros conocimientos para crear la fibra topológica".

El equipo, del que también forman parte el estudiante de doctorado Guido Baardink y el Dr. Josh Nunn, del Departamento de Física, busca ahora socios industriales para seguir desarrollando su concepto.

"Tenemos muchas ganas de ayudar a la gente a construir redes de comunicación sólidas y estamos listos para la siguiente fase de este trabajo", dijo el Dr. Souslov.

Roberts añadió: "Hemos demostrado que se pueden fabricar kilómetros de fibra topológica enrollada en una bobina. Imaginamos una Internet cuántica en la que la información se transmitirá de forma robusta a través de continentes utilizando principios topológicos".

Señaló que esta investigación tiene implicaciones que van más allá de las redes de comunicaciones. Y añadió: "El desarrollo de la fibra no es sólo un reto tecnológico, sino también un apasionante campo científico por derecho propio".

"Entender cómo diseñar la fibra óptica ha dado lugar a fuentes de luz que van desde el 'supercontinuum' brillante que abarca todo el espectro visible hasta las fuentes de luz cuántica que producen fotones individuales, partículas únicas de luz".

El futuro es cuántico

Se espera que las redes cuánticas desempeñen un importante papel tecnológico en los próximos años. Las tecnologías cuánticas tienen la capacidad de almacenar y procesar información de forma más potente que los ordenadores "clásicos" actuales, así como de enviar mensajes de forma segura a través de redes globales sin posibilidad de escucha.

Pero los estados cuánticos de la luz que transmiten la información se ven fácilmente afectados por su entorno y encontrar la manera de protegerlos es un reto importante. Este trabajo puede ser un paso adelante hacia el mantenimiento de la información cuántica en la fibra óptica mediante un diseño topológico.

Este trabajo agradece la financiación del Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas (EPSRC) (EP/T000961/1, EP/T001062/1), la Royal Society (RGS/R2/202135) y la Oficina de Investigación Científica de las Fuerzas Aéreas (FA8655-22-1-7028).