糾纏 Skyrmion 拓撲的概念圖示。 每個光子都有助於形成乙個新興的拓撲結構，該拓撲結構僅作為兩個光子的組合實體存在。 圖片來源：威特沃特斯蘭德大學。
研究人員首次展示了在不改變其共享特性的情況下擾動空間分離但相互連線的量子糾纏粒子對的非凡能力。
該團隊包括來自南非威特沃特斯蘭德大學結構光實驗室（物理學院）的研究人員，由Andrew Forbes教授領導，與中國湖州大學的Robert De Mello Koch（前威特沃特斯蘭德大學）合作。
我們通過糾纏兩個相同的光子並定製它們共享的波函式來實現這一實驗里程碑，即，只有當光子被視為乙個統一的實體時，它們的拓撲或結構才會變得明顯，“主要作者Pedro Ornelas解釋道，他是結構光實驗室的碩士生。
光子之間的這種連線是通過量子糾纏建立的，通常被稱為“遠距離重影”，這使得粒子能夠影響彼此的測量，即使在很遠的距離上也是如此。 該研究於2024年1月8日發表在《自然光子學》雜誌上。
在這項工作中，拓撲的作用及其保持屬性的能力可以比作咖啡杯如何重塑成甜甜圈的形狀;儘管在變換過程中外觀和形狀發生了變化，但奇異空穴（一種拓撲特徵）保持不變。 這樣，這兩個物件在拓撲上是等價的。 “我們的光子之間的糾纏是可塑的，就像陶工手中的粘土一樣，但在成型過程中，一些特徵被保留了下來，”富比士解釋說。
這裡研究的拓撲特性，稱為Skyrmion拓撲，由Tony Skyrme在2024年代首次探索，作為顯示粒子狀特徵的場配置。 在這種情況下，拓撲是指場的全域性屬性，類似於一塊織物（波函式），無論它被推向哪個方向，其紋理（拓撲）都保持不變。
從那時起，這些概念已經在現代磁性材料、液晶中實現，甚至作為使用經典雷射束的光學類似物。 在凝聚態物理領域，sgormions因其穩定性和抗噪性而備受推崇，在高密度資料儲存裝置方面取得了突破性進展。 “我們渴望看到我們的量子糾纏sigminons具有類似的變革性影響，”富比士說。
以前的研究將這些skyrmions描述為侷限於乙個位置。 “我們的工作呈現了一種正規化轉變：傳統上認為存在於單個區域性配置中的拓撲現在是非區域性的，或者在空間分離的實體之間共享，”Ornelas說。
基於這一概念，研究人員使用拓撲學作為框架對糾纏態進行分類或區分。 他們設想“這種新視角可以作為糾纏狀態的標記系統，類似於字母表，”共同研究員Isaac Nape博士說。
與球體，甜甜圈和手銬類似，它們通過它們所包含的孔的數量來區分，我們的量子sgmions可以以相同的方式通過其拓撲方面來區分，“Nape說。 該團隊希望這可能是乙個強大的工具，為新的量子通訊協議鋪平道路，這些協議使用拓撲作為字母表，用於跨基於糾纏的通道進行量子資訊處理。
文章中報告的發現至關重要，因為研究人員幾十年來一直在努力開發保護糾纏態的技術。 即使有糾纏衰減，拓撲結構也保持完整，這一事實表明了一種潛在的新編碼機制，該機制利用糾纏，即使傳統編碼協議的糾纏失敗最小。
我們將把研究重點放在定義這些新協議上，並擴大拓撲非局域量子態的格局，“富比士說。
更多資訊：Pedro Ornelas 等人，非區域性 Skyrmions 作為拓撲彈性量子糾纏光態，Nature Photonics （2024）。 doi： 10.1038/s41566-023-01360-4