数学性质赋予量子斯格明子意想不到的生存优势

微型光子芯片正在让一个非同寻常的数学想法更接近未来的量子通信设备。

如果科学家能够通过粒子光将量子计算机连接成网络，使它们共享信息，量子计算机可能会变得强大得多。然而，这里有一个很大的难题。

实现这一点的量子连接非常敏感。即使很小的扰动也可能破坏光子之间的纠缠，并使量子设备之间的通信陷入停顿。

如今，在一项新研究中，宾夕法尼亚大学的研究人员展示了一种耐人寻味的方法：即使这种连接断裂，也能保留量子光的一种特定性质。

他们利用一种名为拓扑的数学概念，在光子之间转移了一种独特图案，并发现即使光子失去了量子连接（纠缠），这种图案仍保持完整。

“这就好像一名舞者独特的动作突然成为双人舞的一部分，而且即使舞者被分开，这一动作仍然延续下来，”该研究资深作者、宾夕法尼亚大学材料科学与工程教授梁峰（Liang Feng）说。

赋予光子一种拒绝消失的图案

这项实验的秘密在于一种被称为量子斯格明子的结构。与传统物体不同，它的决定性特征不是物理形状，而是一种涉及光的两类性质的图案：与偏振相关的自旋，以及描述波前如何扭转的轨道角动量。

“根据你观察的位置不同，光的振荡方向也不同。这有点像你头上不同区域的头发朝不同方向生长，”该研究第一作者、耶鲁大学博士后研究员赵浩奇（Haoqi Zhao）说。

这些变化共同形成一种图案，以固定次数覆盖所有可能的偏振态。数学家用一个拓扑数来描述这一性质。有趣之处在于，扰动图案的个别部分并不一定会改变这个数。

“想想某人头发里的发旋。你可以把个别发丝拨乱，而不会改变整体图案，”赵补充说。

为了测试这种数学上的韧性是否能帮助量子信息在扰动中存活，研究团队首先需要一种利用光子创建并转移这些图案的方法。

建造一座量子光的微型工厂

研究人员开发了一种由氮化硅制成的集成光子芯片，氮化硅是光子器件中常用的一种材料。其组件被设计用于产生纠缠光子，引导它们沿不同路径传播，并将斯格明子图案印刻到其中一个光子上。

该过程首先是将一束飞秒激光脉冲导入芯片上的两个螺旋波导。通过一种称为自发四波混频的过程，光产生成对的光子，这些光子共享量子纠缠。简而言之，即使光子随后被分开，它们的量子态也会彼此关联。

随后，一组微型干涉仪引导光子穿过芯片的不同部分。一个光子进入专门设计的微环谐振器，在那里，其内外边缘精心排列的结构产生不同的偏振和角动量分量。将这些分量组合起来，就形成了所需的斯格明子图案。

接着，研究人员对第一个光子的偏振和动量进行测量，即贝尔态测量。这使得编码在该光子中的拓扑图案能够被转移到一个由两个光子共享的量子态中。

研究团队使用量子态层析技术验证了所得状态，这是一种根据测量结果重建量子系统的技术。

最初的单光子斯格明子测得的拓扑数为1.981，非常接近预期值2。转移后的双光子态也显示出类似的高数值，平均量子态保真度为89%，这表明实验产生的态与目标态的接近程度。

该芯片的研发历经近五年的技术改进，团队在宾夕法尼亚大学辛格纳米技术中心制造了原型。

“这有点像建造一整座微型工厂。芯片的一部分产生纠缠光子，另一部分把它们引导到需要去的地方，还有一部分创建斯格明子图案。挑战在于让所有部分协同工作，”该研究作者之一、宾夕法尼亚大学研究员张一驰（Yichi Zhang）说。

令人惊讶之处出现在纠缠消失之时

系统运行后，研究人员有意向光子中引入噪声，包括不需要的背景光，以观察转移后的图案能多好地承受干扰。

随着扰动增加，量子态逐渐退化，光子之间的纠缠最终消失。然而，斯格明子的拓扑数基本保持不变。只有当研究人员引入更强的扰动时，图案才被破坏。

这尤其令人惊讶，因为“此前的工作表明，这些结构依赖于纠缠。我们的发现表明，这种关系比我们想象的更复杂，”赵说。

研究人员还通过一种称为量子失协的度量发现了这些残余关联的证据。与纠缠不同，量子失协能够捕捉某些即使两个粒子不再纠缠仍会保留的量子关联。

它的持续存在表明，拓扑可能与比科学家此前认为的更广泛的量子关系相关联。

这一发现最终可能有助于在未来量子网络中保护量子信息免受噪声影响。不过，该实验尚未展示出一种无需纠缠即可工作的实用通信系统。

该研究发表在《自然·物理学》杂志上。

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