近日，我校羅伯特教授團(tuán)隊與南非金山大學(xué)研究團(tuán)隊合作，僅利用光的軌道角動量，在糾纏光子內(nèi)部發(fā)現(xiàn)了一個豐富的、之前未知的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。團(tuán)隊利用由純軌道角動量糾纏構(gòu)成的斯格明子，建立了與高能物理中非阿貝爾單極子紋理之間的直接對應(yīng)，并提出了一種可擴(kuò)展的高維量子態(tài)“拓?fù)渥V”。相關(guān)成果以標(biāo)題“Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light”發(fā)表于《Nature Communications》，羅伯特教授為第一作者，我校為第一單位。

　　該工作表明，拓?fù)淇梢员灰暈榧m纏的內(nèi)稟性質(zhì)而非模擬效應(yīng)，從而為更穩(wěn)健的量子通信、量子傳感和量子計算開辟了新途徑。由于僅依賴軌道角動量，無需預(yù)先偏振化，該方法與現(xiàn)有結(jié)構(gòu)光平臺具有廣泛兼容性，并可擴(kuò)展到更高維。

　　羅伯特教授表示：“令人興奮的是，我們觀測到的拓?fù)洳⒎侨藶樵O(shè)計——它早已存在于糾纏態(tài)之中。通過直接揭示和測量它，我們把臺式光學(xué)實驗與單極子和希格斯場的數(shù)學(xué)理論聯(lián)系起來，同時為高維量子技術(shù)創(chuàng)造了新的資源。”金山大學(xué)的安德魯·福布斯教授補(bǔ)充道：“僅用軌道角動量，我們突破了傳統(tǒng)的偏振范式。由此產(chǎn)生的拓?fù)渥V隨著維數(shù)的增加呈現(xiàn)出爆炸式增長，為量子信息提供了一種規(guī)模龐大且具備抗噪性的高維量子態(tài)字集。”

　　關(guān)鍵發(fā)現(xiàn)主要包括：(1) 首個僅基于軌道角動量的斯格明子：團(tuán)隊在由糾纏定義的兩個 OAM“球面”之間，創(chuàng)建并測量了斯格明子/反斯格明子映射。(2) 雙光子—單極子關(guān)聯(lián)：同一映射對應(yīng)于’t Hooft–Polyakov單極子的希格斯場漸近紋理，將光學(xué)測量與規(guī)范理論的基石相連接。(3) 高維“拓?fù)渥V”：在維度為3、5、7時，由 SU(d) 組織的不同嵌入子流形各自攜帶繞數(shù)，隨著 d 增大產(chǎn)生成千上萬的候選不變量。(4) 既穩(wěn)健又敏感：在現(xiàn)實噪聲下，非平凡特征依然存在；同時可以在先前平凡的子空間中有意誘導(dǎo)出新特征——既有利于抗擾，也便于信道診斷。

　　本研究具有重要應(yīng)用價值。利用高維糾纏是實現(xiàn)安全量子通信與先進(jìn)量子傳感的關(guān)鍵前沿，而拓?fù)浠枋鰩砹藘纱髢?yōu)勢，即穩(wěn)定性（拓?fù)涮卣鲗π_動具有魯棒性）與可擴(kuò)展性（可用的“字母表”隨維度迅速增長）。本研究提供了一個直接、以實驗為基礎(chǔ)的框架，用于測量、認(rèn)證并利用這種拓?fù)洹?/p>

　　本項目由我校與南非金山大學(xué)結(jié)構(gòu)光團(tuán)隊合作完成。團(tuán)隊成員包括羅伯特、Pedro Ornelas、Neelan Gounden、盧伯強(qiáng)、Isaac Nape和Andrew Forbes。

　　論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66066-3.pdf