研究人员证明量子纠缠和拓扑有着千丝万缕的联系

由 Andrew Forbes 教授领导的南非金山大学结构光实验室(物理学院)的研究人员首次 与中国湖州大学的弦理论家 Robert de Mello Koch(之前来自金山大学)合作大学)已经证明了扰乱空间上分离但互连的量子纠缠粒子对而不改变它们的共同属性的非凡能力。

“我们实现了这一实验里程碑，通过纠缠两个相同的光子并定制它们共享的波函数，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变得明显，”主要作者、理学硕士 Pedro Ornelas 解释道。结构光实验室的学生。

光子之间的这种联系是通过量子纠缠建立的，通常被称为“幽灵般的远距离作用”，即使粒子相距很远，也能影响彼此的测量结果。该研究 于 2024 年 1 月 8 日发表在 《自然光子学》上 。

在这项工作中，拓扑的作用及其保留属性的能力可以比作如何将咖啡杯重塑为甜甜圈的形状;尽管在转变过程中外观和形状发生了变化，但奇异的孔(一种拓扑特征)仍然保持不变。这样，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，”福布斯解释道。

这里研究的拓扑性质，称为斯格明子拓扑，最初由 Tony Skyrme 在 20 世纪 80 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)，无论其被推动的方向如何，其纹理(拓扑)都保持不变。

这些概念已在现代磁性材料、液晶，甚至使用经典激光束的光学类似物中得以实现。在凝聚态物理领域，斯格明子因其稳定性和抗噪性而受到高度重视，从而在高密度数据存储设备方面取得了突破性的进步。福布斯表示：“我们渴望看到量子纠缠斯格明子产生类似的变革性影响。”

之前的研究将这些斯格明子描述为集中在一个位置。“我们的工作呈现了一种范式转变：传统上被认为存在于单一局部配置中的拓扑现在是非局部的或在空间分离的实体之间共享的，”奥内拉斯说。

研究人员扩展了这个概念，利用拓扑作为框架来分类或区分纠缠态。他们设想“这种新鲜的视角可以作为纠缠态的标签系统，类似于字母表!” 联合研究员艾萨克·内普博士说。

“与球体、甜甜圈和手铐通过其所含孔的数量来区分类似，我们的量子斯格明子也可以通过它们的拓扑方面以同样的方式进行区分，”内普说。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，该协议使用拓扑作为跨基于纠缠的通道进行量子信息处理的字母表。

文章中报告的发现至关重要，因为研究人员几十年来一直致力于开发保存纠缠态的技术。即使纠缠衰减，拓扑仍保持完整这一事实表明，即使在传统编码协议失败的纠缠最小的情况下，也可能存在一种利用纠缠的新编码机制。

福布斯表示：“我们将把研究工作的重点放在定义这些新协议并扩大拓扑非定域量子态的范围上。”

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