在量子物理學(xué)里，光子一直被當(dāng)作最小的"信使"，負(fù)責(zé)在糾纏粒子之間傳遞信息。

但在大多數(shù)人的想象中，光子就是一個點，一份能量包，最多攜帶一個比特的量子信息。南非金山大學(xué)（Wits）物理學(xué)家安德魯·福布斯教授領(lǐng)導(dǎo)的團隊，與巴塞羅那自治大學(xué)合作，正在顛覆這個直覺。他們在頂級期刊《自然·光子學(xué)》上發(fā)表的綜述研究表明，通過精確控制光子在空間、時間和頻譜上的結(jié)構(gòu)，一個光子內(nèi)部實際上藏有多個可操控的"維度"，每一個都可以用來編碼信息，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止一個比特那么簡單。

給光子"塑形"，打開新的編碼空間

理解這項研究的關(guān)鍵概念，是"結(jié)構(gòu)化量子光"。

普通的激光束，光子的相位和振幅在空間上分布均勻，就像一個完美的平面波。而"結(jié)構(gòu)化光"指的是人為地精密調(diào)控光子在空間、時間或頻率上的分布模式，創(chuàng)造出形狀各異、維度更高的光場。用一個不太準(zhǔn)確但直觀的比喻來說：普通光子是一張白紙，只能寫0或1；結(jié)構(gòu)化光子更像一張地圖，可以同時攜帶等高線、顏色、符號等多重信息層。

研究團隊的核心工作，是將這套操控手段從經(jīng)典光學(xué)推入量子層面。他們利用片上集成光子學(xué)、非線性光學(xué)、多平面光轉(zhuǎn)換等工具，在單個光子的量子態(tài)上實現(xiàn)時空維度的精確工程化改造。這些結(jié)構(gòu)化光子處于所謂的"高維量子態(tài)"，意味著單個光子可以同時存在于多個正交模式的疊加態(tài)中，理論上可以編碼遠(yuǎn)超二進(jìn)制的信息量。

福布斯表示，二十年前，用于定制量子光的工具幾乎一片空白，研究者的"工具箱"基本是空的。"而如今，我們已經(jīng)擁有了緊湊高效的片上量子結(jié)構(gòu)光源，能夠創(chuàng)建和控制這些量子態(tài)。"這種變化的速度，在基礎(chǔ)物理學(xué)領(lǐng)域相當(dāng)罕見。

高維編碼的實用價值體現(xiàn)在兩個層面。第一是信息容量：每個光子攜帶更多信息維度，意味著同樣數(shù)量的光子可以傳輸更高密度的數(shù)據(jù)，對于未來量子通信網(wǎng)絡(luò)的帶寬而言至關(guān)重要。第二是抗干擾能力：高維量子態(tài)比傳統(tǒng)的二維量子比特對噪聲和干擾的抵抗力更強，這在充滿各種電磁擾動的真實環(huán)境中極具實用意義。北京大學(xué)團隊今年早些時候在《自然》上發(fā)表的研究，也從另一個角度印證了這一趨勢，他們基于集成光量子芯片構(gòu)建了可支持多用戶并行通信的量子密鑰分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，片上光子學(xué)正在迅速從實驗室原型走向可擴展系統(tǒng)。

拓?fù)?，是最堅固的?/p>

然而，結(jié)構(gòu)化量子光面臨的最大工程障礙也直接擺在眼前：傳輸距離。

空間結(jié)構(gòu)化光子在光纖或大氣信道中傳播時，比傳統(tǒng)的偏振編碼光子更容易受到散射和湍流的影響，導(dǎo)致信號在傳輸一定距離后迅速退相干，量子信息被抹除。這個問題在室內(nèi)或短距離場景下尚可應(yīng)對，但對于城市間乃至洲際量子通信而言，它目前仍然是一個尚未攻克的瓶頸。

福布斯沒有回避這個現(xiàn)實："無論是經(jīng)典結(jié)構(gòu)光還是量子結(jié)構(gòu)光，其傳輸距離仍然非常有限。"但他同時將這個局限稱為"機遇"，推動研究者去挖掘更多可以利用的量子自由度。

研究團隊目前最看好的突破方向，是賦予量子態(tài)"拓?fù)湫再|(zhì)"。拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)中研究形狀在連續(xù)變形下保持不變特性的分支，通俗地說，一個拓?fù)湫再|(zhì)穩(wěn)健的量子態(tài)，即使在外部擾動下也能保持其核心信息不被破壞，因為那些信息被編碼在一種"本質(zhì)不變量"中，而非容易被擾動抹去的局部細(xì)節(jié)里。

福布斯的團隊已經(jīng)在實驗中證明，量子波函數(shù)天然具有可被利用的拓?fù)湫再|(zhì)。他們進(jìn)一步演示了量子光學(xué)"斯格明子"，這是一種具有拓?fù)浔Ｗo特性的光場結(jié)構(gòu)，并將其通過模擬大氣湍流的信道進(jìn)行了傳輸測試，結(jié)果顯示這類拓?fù)淞孔討B(tài)的穩(wěn)定性確實顯著優(yōu)于普通結(jié)構(gòu)化光子。

這個方向的技術(shù)前景，在量子信息領(lǐng)域引發(fā)了廣泛關(guān)注。如果拓?fù)浔Ｗo能夠被可靠工程化，量子通信系統(tǒng)對真實物理環(huán)境的容忍度將發(fā)生質(zhì)的改變，原本只能在實驗室控制條件下運行的高維量子態(tài)，才有可能走上實用化的舞臺。

《自然·光子學(xué)》發(fā)表綜述本身的意義也值得單獨說明：這類綜述通常意味著一個領(lǐng)域已從零散探索期進(jìn)入系統(tǒng)整合期，研究共同體認(rèn)為時機成熟，可以為下一階段的突破指明方向。對于結(jié)構(gòu)化量子光學(xué)而言，這或許正是從基礎(chǔ)科學(xué)走向量子技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點。

信息來源：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260226042500.htm