福建
數(shù)十年來，量子糾纏與拓?fù)鋵W(xué)一直被視為現(xiàn)代物理學(xué)中兩個(gè)截然不同的支柱。糾纏描述了微觀粒子之間“幽靈般的”非定域關(guān)聯(lián)，而拓?fù)鋵W(xué)則研究物體在連續(xù)形變下保持不變的全局性質(zhì)——如同甜甜圈上的孔洞。然而，近期發(fā)表在《自然通訊》的里程碑式研究《揭示糾纏態(tài)光軌道角動(dòng)量的拓?fù)浔举|(zhì)》（Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light）跨越了這兩個(gè)世界，證明了光軌道角動(dòng)量的糾纏不僅是一種統(tǒng)計(jì)相關(guān)性，更是一種深邃的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
一、 兩個(gè)領(lǐng)域的交匯：OAM 與 拓?fù)?/p>
光的軌道角動(dòng)量（OAM）源于光束螺旋形的相位結(jié)構(gòu)。與受限于二維狀態(tài)空間的自旋角動(dòng)量（偏振）不同，OAM 在理論上擁有無限的維度，由整數(shù)l表示波前中相互纏繞的螺旋數(shù)量。
從歷史上看，拓?fù)鋵W(xué)進(jìn)入光子學(xué)領(lǐng)域通常是通過“拓?fù)浣^緣體”或“光學(xué)斯格明子”實(shí)現(xiàn)的，這往往需要耦合不同的自由度（如偏振與空間模式）。而這項(xiàng)研究的突破性在于，它意識(shí)到我們不需要向系統(tǒng)“添加”拓?fù)洌幌喾?，拓?fù)湓缫褍?nèi)在存在于糾纏光子的高維希爾伯特空間中。
二、 理論框架：楊-米爾斯與希格斯場
這項(xiàng)研究的天才之處在于，它使用了粒子物理學(xué)中的重型數(shù)學(xué)工具來描述光。研究團(tuán)隊(duì)將糾纏 OAM 態(tài)的密度矩陣映射到了SU(d)楊-米爾斯理論上。
在這個(gè)框架下：
- 糾纏態(tài)被視為兩個(gè)數(shù)學(xué)流形之間的映射。
- 量子關(guān)聯(lián)被解釋為一種規(guī)范場。
- 糾纏的結(jié)構(gòu)被揭示為一種斯格明子——這是一種拓?fù)渚钟驊B(tài)，其“打結(jié)”方式使得它在不撕裂場底層結(jié)構(gòu)的情況下無法被解開。
通過從非阿貝爾希格斯勢(shì)的角度審視糾纏，團(tuán)隊(duì)展示了量子關(guān)聯(lián)的“形狀”實(shí)際上是一個(gè)高維的拓?fù)渚坝^。
三、 實(shí)驗(yàn)大師：測量“不可測量”之物
為了證明這種“拓?fù)浔举|(zhì)”，團(tuán)隊(duì)利用自發(fā)參量下轉(zhuǎn)換（SPDC）產(chǎn)生了一對(duì)糾纏光子，并將其投影到高維 OAM 狀態(tài)（最高達(dá) d=7）。
挑戰(zhàn)在于如何“看見”拓?fù)?。不同于物理上的繩結(jié)，量子態(tài)是無法直接肉眼觀測的。團(tuán)隊(duì)通過以下方式實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)：
- 斷層掃描重構(gòu)高維密度矩陣。
- 提取拓?fù)洳蛔兞浚茨切┘词瓜到y(tǒng)受到微擾或抖動(dòng)也保持不變的數(shù)值）。
結(jié)果令人震驚。他們?cè)?48維的結(jié)構(gòu)中，識(shí)別出了一個(gè)包含超過 17,000個(gè)獨(dú)立拓?fù)洳蛔兞?的“拓?fù)渥V”。這證實(shí)了糾纏不僅僅是一個(gè)簡單的連接，而是一個(gè)具有前所未有豐富性的、多維度的“織面”。
四、 核心意義：從理論走向技術(shù)
揭示糾纏具有拓?fù)浔举|(zhì)并不僅僅是抽象數(shù)學(xué)的勝利，它對(duì)量子技術(shù)的未來具有深遠(yuǎn)影響：
- 數(shù)據(jù)的拓?fù)浔Ｗo(hù)：在經(jīng)典計(jì)算中，拓?fù)涮峁┝朔€(wěn)定性（如硬盤中的磁斯格明子）。在量子通信中，如果信息被編碼在一個(gè)“拓?fù)浣Y(jié)”中，它將對(duì)光纖傳輸或大氣湍流帶來的局部環(huán)境噪聲具有天然的免疫力。
- 高容量量子網(wǎng)絡(luò)：通過證明 OAM 糾纏可以承載這些復(fù)雜的高維結(jié)構(gòu)，該研究為“高維量子密鑰分發(fā)（HD-QKD）”鋪平了道路，使每個(gè)光子能夠攜帶遠(yuǎn)超單一比特的信息量。
- 桌面實(shí)驗(yàn)室的高能物理：這種裝置允許科學(xué)家在光學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，利用光來模擬通常只有在粒子加速器中才能研究的復(fù)雜規(guī)范場論。
五、 結(jié)語
論文《揭示糾纏態(tài)光軌道角動(dòng)量的拓?fù)浔举|(zhì)》代表了一次范式轉(zhuǎn)移。它告訴我們，糾纏不僅僅是兩個(gè)粒子之間的“連接”，它是時(shí)空與場論的一種結(jié)構(gòu)屬性。通過揭示 OAM 狀態(tài)的斯格明子本質(zhì)，Andrew Forbes 及其團(tuán)隊(duì)為量子世界繪制了一張全新的“拓?fù)涞貓D”。
展望未來，我們的任務(wù)將是利用這 17,000 多個(gè)不變量，構(gòu)建一個(gè)不僅速度更快，而且因拓?fù)浞▌t保護(hù)而“不可摧毀”的量子互聯(lián)網(wǎng)。
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