Superprovodnici i optička vlakna – od bakarne žice do interneta budućnosti

Većina nas na “internet” i dalje instinktivno pomisli kao na Wi-Fi, 4G/5G ili bakarnu žicu koja ulazi u ruter.
U praksi, najveći deo globalnog saobraćaja putuje kroz hiljade kilometara optičkih vlakana – staklenih niti tanjih od dlake, zakopanih pod zemljom ili na dnu okeana.

Paralelno s tim, u laboratorijama fizičari razvijaju superprovodnike – materijale koji na niskim temperaturama provode struju bez ikakvog električnog otpora. To znači: bez gubitaka, bez grejanja, bez “rasipanja” energije u toplotu.

Kada spojiš ova dva sveta – svetlost u vlaknima i struju bez otpora – dobijaš jednu od najzanimljivijih vizija buduće tehnologije:

• brži i stabilniji internet,
• kvantne komunikacione mreže,
• energetske sisteme sa minimalnim gubicima,
• potpuno nove tipove računara.

U ovom tekstu prolazimo kroz osnove: šta su superprovodnici, kako rade optička vlakna i zašto fizičari danas prave egzotične hibride ova dva sveta.

---

1. Šta su superprovodnici (i zašto svi jure “sobnu temperaturu”)

U običnim metalima (bakar, aluminijum) elektroni se stalno sudaraju sa rešetkom atoma → energija se pretvara u toplotu → žice se greju, a deo energije se gubi.

Superprovodnik je poseban materijal koji ispod određene kritične temperature:

• ima tačno nula električnog otpora,
• može da nosi ogroman strujni tok bez zagrevanja,
• izbacuje magnetno polje iz svoje unutrašnjosti (Meissnerov efekat).

To otvara stvari tipa:

• MRI magneti u bolnicama,
• levitirajući vozovi (maglev),
• superprovodnički magneti za akceleratore čestica (CERN).

Ali danas nauka cilja mnogo više:
superprovodnike na što višoj temperaturi, idealno blizu sobne → to bi značilo:

• kablove bez gubitaka u elektro-mreži,
• superprovodničke komponente u serverima i data centrima,
• kvantne procesore sa manje komplikovanim hlađenjem.

Za sada, većina “visokotemperaturnih” superprovodnika i dalje radi na daleko ispod nule (mereno u kelvinima), uz azot ili helijum za hlađenje.
Ali tempo napretka i raznovrsnost materijala koji se istražuju (bakarnati, železni, niklati, hidridi pod ogromnim pritiskom…) govore da je ovo jedno od najaktivnijih polja moderne fizike.

2. Optička vlakna – kako svetlost prenosi internet

Za razliku od bakarnih kablova u kojima teče struja, u optičkom vlaknu “teče” svetlost – laserski impuls koji se odbija unutar jezgra vlakna i putuje hiljadama kilometara uz vrlo male gubitke.

Šta tu čini magiju:

• Jezgro od ultra čistog stakla sa precizno podešenim indeksom prelamanja,
• Potpuno unutrašnje refleksije – svetlost “šeta” kroz vlakno bez izlaska napolje,
• Mogućnost da se više talasnih dužina (različite “boje” svetla) šalju istovremeno – tzv. WDM (wavelength-division multiplexing).

Rezultat:

• kapacitet optike meri se danas u terabitima po sekundi po jednom vlaknu,
• ispod okeana leže kablovi kroz koje prolaze praktično sve naše poruke, video-pozivi, gaming paketi i AI upiti.

Ali ni ovde naučnici ne staju – rade na egzotičnim verzijama optičkih vlakana:

• šuplja (hollow-core) vlakna, gde svetlost putuje kroz vazduh umesto stakla,
• vlakna sa više jezgara, gde jedno fizičko vlakno nosi više nezavisnih “kanala”,
• strukture koje kombinuju fotonske kristale i specijalne oblike jezgra za smanjenje latencije i gubitaka.

3. Gde se sreću superprovodnici i optička vlakna

Na prvi pogled, jedno je “struja u čvrstoj materiji”, drugo “svetlost u staklu”.
U praksi, moderna infrastruktura sve više traži njihov spoj.

3.1. Superprovodnički detektori za pojedinačne fotone

U kvantnim komunikacijama i kvantnom internetu, ključno je da detektuješ pojedinačne fotone koji nose kvantne informacije (kvantne bitove – qubite).

Tu nastupaju superprovodnički SNSPD detektori (superconducting nanowire single-photon detectors):

• prave se od ultra tankih superprovodničkih žica na kriogenim temperaturama,
• mogu da “osete” dolazak jednog jedinog fotona iz optičkog vlakna,
• imaju ekstremno malu šansu da pogreše.

Bez ovakvih detektora, kvantni internet bi praktično bio nemoguć u realnim uslovima.

3.2. Superprovodnički filteri i procesori za telekom

Superprovodnici se koriste i u:

• vrlo selektivnim radio-frekventnim filterima u telekom opremi,
• eksperimentalnim superprovodničkim logičkim kolima (npr. RSFQ tehnologija) za ultra brze digitalne sisteme.

Zamisli future data centar gde:

• svetlost ide optikom do čipa,
• unutar čipa se signali obrađuju u superprovodničkom logičkom sklopu sa skoro nula disipacije.

To bi bila ogromna revolucija za AI, cloud i sve što danas guši energija i grejanje servera.

4. Kvantni internet: kada fotoni u vlaknima nose kvantne ključeve

Još jedna egzotična linija razvoja je kvantni internet – mreža koja koristi kvantnu mehaniku za:

• kvantnu razmenu ključeva (QKD) – kriptografski ključevi se razmenjuju putem kvantnih stanja fotona,
• komunikaciju koju je nemoguće prisluškivati bez detekcije.

Tu optička vlakna + superprovodnički detektori + kvantni repetitori prave ekipu:

• optička vlakna nose kvantne fotone kroz grad / između gradova,
• superprovodnički detektori hvataju fotone na prijemu,
• kvantni repetitori (još u razvoju) trebalo bi da omoguće vezu na stotinama i hiljadama kilometara bez gubitka kvantne informacije.

Za sada su to uglavnom eksperimentalne mreže – pilot linkovi između univerziteta, banaka, vladinih institucija.
Ali princip je jasan: svetlost u optici + superprovodničke komponente na ključnim tačkama.

5. Šta nam sve ovo znači u praksi (van laboratorije)

Za običnog korisnika sve ovo zvuči kao SF, ali posledice će biti vrlo zemaljske:

1. Brži i pouzdaniji internet “iza kulisa”

   • naprednija optička vlakna smanjuju latenciju i gubitke na backbone mrežama,
   • bolje telekom komponente (uključujući i superprovodničke) povećavaju kapacitet bez mega potrošnje energije.

2. Moguće nove vrste data centara

   • ako superprovodničke tehnologije postanu praktičnije, data centri bi mogli da troše mnogo manje struje po operaciji,
   • veći deo potrošnje današnjih AI farmi ide na hlađenje – superprovodnici direktno ciljaju taj problem.

3. Bezbednost komunikacija

   • kvantni internet ne znači “brži” internet, već otporniji na prisluškivanje,
   • u svetu gde se sve više oslanjamo na digitalnu infrastrukturu, ovo može postati kritična tehnologija.

4. Energetske mreže

   • superprovodnički kablovi već se testiraju u nekim gradovima kao deo elektro-mreže,
   • u budućnosti bi mogli da prevoze ogromne količine struje gotovo bez gubitaka na većim distancama.

6. Zašto je ovo dobro mesto da “izađemo iz svemira”

Do sada je “nauka i svemir” kod nas često značila:

• egzoplanete,
• crne rupe,
• misije, teleskope.

Ovaj tekst pravi mali zaokret:

• i dalje smo čvrsto u domenu fundamentalne fizike (kvantna mehanika, kriogenika, fotonika),
• ali tema je vrlo zemaljska – kablovi, internet, struja, data centri.

To je dobar smer i za buduće tekstove:

• kvantni senzori,
• MRI i medicina,
• novi materijali,
• biofizika, AI u farmaciji…

Zaključak

Superprovodnici i optička vlakna su na prvi pogled dva odvojena sveta – jedni rade sa strujom koja teče bez otpora, druga sa svetlošću koja juri kroz staklo.

U stvarnosti, to su stubovi infrastrukture budućeg interneta i energetike:

• superprovodnici kao put do sistema sa minimalnim gubicima i snažnim magnetnim i logičkim komponentama,
• optička vlakna kao krvotok globalne komunikacije, sve brži i sofisticiraniji,
• njihova kombinacija u vidu kvantnih mreža, superprovodničkih detektora i egzotičnih fotonskih struktura.

Za nas, korisnike, najvažnije je da ovo nisu “igrice u laboratoriji” –
već tehnologije koje će u sledećim decenijama odlučivati o tome:

• koliko ćemo brzo komunicirati,
• koliko energije trošimo na digitalni svet,
• i koliko bezbedno čuvamo informacije u eri posvudašnje AI.

Disclaimer: Tekst ima informativni karakter i ne predstavlja finansijski, investicioni, pravni, medicinski niti bilo koji drugi vid profesionalnog saveta.