2026年9月29日——美国陆军和大学研究人员开创了一项光学研究突破，可能带来更安全的军事通信，以及供野外士兵使用的轻便、坚固导航装备。该研究团队来自美国陆军作战能力发展司令部（DEVCOM）陆军研究实验室和马里兰大学。他们发明了一种开创性方法，利用超精密激光在标准玻璃纤维表面成功雕刻出微观凸起，从而以前所未有的精度引导光穿过发丝般细的玻璃纤维。

通过将21个这种被称为微谐振器的微小凸起串联起来，该团队构建了他们所称的一种专门单向光学高速公路，用于引导光波绕过障碍物，并防止其退化或散射。

这一突破 发表于《Nature Communications》期刊，标志着科学家首次在此类光纤系统上成功展示这种被称为拓扑光子学的保护性光路由方法。

“最终，这一基础性突破可能带来通信更快、更具韧性的军事网络，使未来不依赖GPS的量子导航传感器成为可能，并为模拟传统方法几乎无法建模的先进材料奠定基础，”DEVCOM ARL 研究物理学家 Dashiell Vitullo 博士说。

现代高速通信依靠光纤电缆，利用光来传输数据。然而，据研究人员称，光波对玻璃中的微观缺陷、线缆扭曲或环境干扰高度敏感，这些因素会使信号失真并泄露宝贵数据。

为帮助解决这一问题，研究人员转向拓扑学。拓扑学是数学的一个分支，研究形状和结构在拉伸、扭曲或揉皱时仍保持其核心特性。

通过在单根玻璃纤维上雕刻不同图案的微观凸起，研究人员创建了一个混合边界。在边界一侧，导光结构按一种图案排列；在另一侧，则遵循另一种图案。

理解光穿过这一微观边界时的行为，要求团队编写一套全新的数学蓝图。这一公式使科学家能够预测光会在边界处冻结，还是顺畅地穿过边界，从而让他们完全控制信号。

“发现能让士兵获得决定性战术优势的基础物理学突破是我们的首要任务，”Vitullo 说。“对军方而言，这项研究的实际意义十分广泛，尤其是在恶劣或激烈争夺的作战区域开展行动时。”

研究人员指出，传统用于导光的先进微芯片易碎且制造成本高昂。一旦制成，若不使用持续消耗能量的高功耗组件，就难以对其进行改动。

相比之下，新型光纤器件适应性很强。如果制成后需要修改，科学家只需用定向激光加热光纤，就能重塑微观凸起。一旦调整到合适规格，其构型便保持稳定，无需额外能量来维持。

马里兰大学助理教授 Avik Dutt 研究光子微芯片已有15年，最近开始与 Vitullo 一起探索光纤上的这些微观凸起。他说，与微芯片相比，这些微凸起的独特能力，例如可适应性调整和在空间中以极高精度测量，是非常有益的特性。

这些玻璃纤维的信号损耗也几乎为零。它们能够处理复杂的光信号，而无需其他先进量子硬件中常见的重型冷却系统或笨重真空腔室。

“尺寸、重量和功耗需求——军事术语中称为 SWaP——的这种大幅降低，可能为士兵能够轻松携带或安装到军用车辆上的强大、轻便战术装备铺平道路，”Vitullo 说。

在基础物理学得到成功验证后，研究人员已经在展望未来。下一步是探索非线性光学行为，本质上是利用光的独特性质来创建合成维度。这将使研究人员能够同时操控光的多个方面，大幅增加这些光纤系统能够承载的信息量。

这项研究是在陆军与马里兰大学之间的合作研究与开发协议（CRADA）下开展的。

这一成就反映了 ARL 数十年来在量子研究领域的领导地位。自20世纪90年代初以来，ARL 一直投资于量子科学，为当今传感、计时和计算领域的突破奠定了基础。2023年，该实验室被指定为四个陆军量子信息科学研究中心之一。