南非威特沃特斯兰德大学与湖州大学合作团队发现量子光子纠缠中的全新超高维拓扑结构

突破性研究揭示48维拓扑、1.7万种独特签名，为稳定量子信息编码提供全新“字母表”

图：示意图

南非威特沃特斯兰德大学（University of the Witwatersrand）与湖州大学（Huzhou University）的科研团队2026年3月在量子光学领域取得了突破性发现。通过实验，团队揭示了传统产生纠缠光子方法——自发参量下转换（SPDC）——中隐藏的全新拓扑结构。实验结果显示，这些拓扑结构可达48维，包含超过17,000种独特的拓扑签名，构成了一个全新的“字母表”，为稳定量子信息的编码提供了丰富的可能性。

在大多数量子光学实验室，纠缠光子通常利用SPDC技术生成。该过程自然地产生光的空间纠缠。然而，研究人员发现，在这层空间纠缠之下隐藏着高维拓扑的“隧道”。这些复杂的拓扑模式可能为信息存储与保护开辟全新途径，使量子系统对噪声更具抵抗力。

团队以光的轨道角动量（OAM）作为探测手段，展示了这一现象。OAM可从简单的二维情形延伸到极高维度，为此前未曾识别的更丰富结构提供了可能。威特沃特斯兰德物理学院安德鲁·福布斯（Andrew Forbes）教授指出：

“我们报告了这项工作的重要进展：我们只需要光的一个属性（OAM）就能制造拓扑结构，而之前人们认为至少需要两个属性——通常是OAM和偏振。由于OAM是高维的，拓扑也同样是高维的，这使我们能够报告到目前为止观察到的最高维拓扑。”

研究团队还发现，一旦拓扑超出二维，它就无法用单一数值来描述，而需要一系列拓扑值，显示出比传统光学系统更为丰富和复杂的结构。

佩德罗·奥伦拉斯（Pedro Ornelas）进一步解释道：

“拓扑结构是免费的，源自空间中的纠缠。它一直存在，只是需要被发现。”

在理论的引导下，实验得以实现。胡州大学首席作者罗伯特·德·梅洛·科赫（Robert de Mello Koch）教授表示：

“识别这些结构并不简单。在高维空间里，寻找拓扑并不直观。我们借助量子场论的抽象概念来预测在哪里以及该寻找什么——最终在实验中确实找到了它！”

尽管轨道角动量纠缠已被广泛研究，但常被视为脆弱。研究人员认为，通过将其视为拓扑结构，可以改变这一观念。利用新发现的拓扑结构，科学家有望开发更可靠的量子系统，为实际应用打开新道路。

本研究已发表在《自然通讯》期刊，标志着量子信息领域的又一重要里程碑。

勇编撰自论文"Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light".Nature Communications.2026相关信息，文中配图若未特别标注出处，均来源于自绘或公开图库。