研究人员证明量子纠缠和拓扑学是密不可分的

纠缠的 Skyrmion 拓扑概念图。每个光子都对新出现的拓扑结构做出了贡献，而该拓扑结构仅作为两个光子的组合实体而存在。资料来源：威茨大学

研究人员首次展示了一种非凡的能力，可以扰动一对空间上分离但又相互连接的量子纠缠粒子，而不改变它们的共享特性。

研究小组成员包括南非威特沃特斯兰德大学（University of the Witwatersrand）物理学院结构光实验室（Structured Light Laboratory）的研究人员，由安德鲁-福布斯（Andrew Forbes）教授领导，并与中国湖州大学的弦理论家罗伯特-德梅洛-科赫（Robert de Mello Koch）（曾在威特沃特斯兰德大学工作）合作。

"第一作者、结构光实验室的硕士研究生佩德罗-奥尔内拉斯（Pedro Ornelas）解释说："我们通过纠缠两个相同的光子并定制其共享波函数的方式实现了这一实验里程碑，只有当光子被视为一个统一的实体时，它们的拓扑或结构才会显现出来。

光子之间的这种联系是通过量子纠缠建立的，量子纠缠通常被称为 "超距作用"，它使粒子即使相隔很远也能影响彼此的测量结果。这项研究发表在 2024 年 1 月 8 日的《自然-光子学》（Nature Photonics）上。

在这项研究中，拓扑学的作用及其保持特性的能力，可以比作如何将一个咖啡杯重新塑造成一个甜甜圈的形状；尽管在转变过程中外观和形状发生了变化，但一个奇异的孔--拓扑学特性--保持不变。因此，这两个物体在拓扑学上是等价的。"福布斯解释说："我们光子之间的纠缠是可塑的，就像陶工手中的粘土，但在成型过程中，某些特征被保留了下来。

这里研究的拓扑学被称为 "Skyrmion 拓扑学"，其本质最初是由托尼-斯凯尔姆（Tony Skyrme）在 20 世纪 80 年代作为显示类似粒子特征的场构型进行探索的。在这种情况下，拓扑指的是场的一种全局属性，类似于一块织物（波函数），无论朝哪个方向推动，其纹理（拓扑）都不会改变。

这些概念后来在现代磁性材料、液晶，甚至使用经典激光束的光学类似物中得以实现。在凝聚态物理学领域，skyrmions 因其稳定性和抗噪性而备受推崇，并在高密度数据存储设备领域取得了突破性进展。"福布斯说："我们希望看到我们的量子纠缠天幕产生类似的变革性影响。

以前的研究将这些天幕描述为定位在单一位置。"奥尔内拉斯说："我们的工作带来了范式的转变：传统上被认为存在于单一和局部配置中的拓扑结构现在变成了非局部的，或者说是在空间上分离的实体之间共享的。

在这一概念的基础上，研究人员利用拓扑学作为分类或区分纠缠状态的框架。他们设想 "这种全新的视角可以作为纠缠态的标签系统，类似于字母表"，共同研究员艾萨克-内普博士说。

"纳普博士说："就像球体、甜甜圈和手铐是通过它们所包含的孔的数量来区分的一样，我们的量子天体也能以同样的方式通过它们的拓扑方面来区分。研究小组希望这能成为一种强大的工具，为新的量子通信协议铺平道路，这种协议将拓扑结构作为字母表，用于基于纠缠的信道的量子信息处理。

文章中报告的发现至关重要，因为几十年来，研究人员一直在努力开发保持纠缠态的技术。即使纠缠衰减，拓扑结构也能保持不变，这一事实表明，即使在纠缠极小的情况下，传统编码协议也会失效，而这种利用纠缠的新编码机制很有潜力。

"福布斯说："我们将把研究重点放在定义这些新协议上，并扩大拓扑非局部量子态的范围。