原标题：量子纠缠和拓扑结构有着千丝万缕的联系

纠缠 Skyrmion 拓扑的概念图示。每个光子都有助于形成新兴的拓扑结构，该拓扑结构仅作为两个光子的组合实体存在。来源：金山大学

研究人员首次展示了在不改变其共享性质的情况下扰动空间分离但相互连接的量子纠缠粒子对的非凡能力。

该团队包括来自南非威特沃特斯兰德大学结构光实验室（物理学院）的研究人员，由Andrew Forbes教授领导，与中国湖州大学的弦理论家Robert de Mello Koch（以前来自金山大学）合作。

“我们通过纠缠两个相同的光子并定制它们共享的波函数来实现这一实验里程碑，即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变得明显，”主要作者Pedro Ornelas解释道，他是结构光实验室的硕士生。

光子之间的这种联系是通过量子纠缠建立的，通常被称为“远距离的幽灵作用”，使粒子能够影响彼此的测量结果，即使相距很远。该研究于2024年1月8日发表在《自然光子学》杂志上。

在这项工作中，拓扑的作用及其保持特性的能力可以比作如何将咖啡杯重塑成甜甜圈的形状;尽管在转换过程中外观和形状发生了变化，但奇异的空穴（一种拓扑特征）保持不变且不变。这样，这两个对象在拓扑上是等价的。“我们的光子之间的纠缠是可塑的，就像陶工手中的粘土一样，但在成型过程中，一些特征被保留了下来，”福布斯解释道。

这里研究的拓扑结构的性质，称为Skyrmion拓扑结构，最初由Tony Skyrme在1980年代探索为显示粒子状特征的场配置。在这种情况下，拓扑是指场的全局属性，类似于一块织物（波函数），其纹理（拓扑）保持不变，无论它被推向哪个方向。

此后，这些概念在现代磁性材料、液晶，甚至作为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，斯格明子因其稳定性和抗噪声性而备受推崇，从而在高密度数据存储设备方面取得了突破性进展。“我们渴望看到我们的量子纠缠skyrmions产生类似的变革性影响，”福布斯说。

先前的研究将这些Skyrmions描述为局限于一个位置。Ornelas说：“我们的工作呈现了一种范式转变：传统上认为存在于单个局部配置中的拓扑结构现在是非局部的，或者在空间分离的实体之间共享。

在这一概念的基础上，研究人员利用拓扑学作为框架来分类或区分纠缠态。他们设想“这种新的视角可以作为纠缠状态的标签系统，类似于字母表，”共同研究员Isaac Nape博士说。

“类似于球体、甜甜圈和手铐通过它们所包含的孔的数量来区分，我们的量子斯格明子可以以同样的方式通过它们的拓扑方面来区分，”Nape说。该团队希望这可能成为一个强大的工具，为新的量子通信协议铺平道路，这些协议使用拓扑作为字母表，用于跨基于纠缠的信道进行量子信息处理。

文章中报告的发现至关重要，因为研究人员几十年来一直在努力开发保护纠缠态的技术。即使纠缠衰减，拓扑结构仍然完好无损，这一事实表明了一种潜在的新编码机制，该机制利用纠缠，即使在传统编码协议失败的纠缠最小的情况下也是如此。

“我们将把研究重点放在定义这些新协议上，并扩大拓扑非局域量子态的格局，”福布斯说。

更多信息：Pedro Ornelas 等人，非局部 skyrmions 作为光的拓扑弹性量子纠缠态，Nature Photonics （2024）。DOI： 10.1038/s41566-023-01360-4

期刊信息： Nature Photonics