近日，我校羅伯特教授團隊與南非金山大學研究團隊合作，僅利用光的軌道角動量，在糾纏光子內部發現了一個豐富的、之前未知的拓撲結構。團隊利用由純軌道角動量糾纏構成的斯格明子，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，并提出了一種可擴展的高維量子態“拓撲譜”。相關成果以標題“Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light”發表于《Nature Communications》，羅伯特教授為第一作者，我校為第一單位。

　　該工作表明，拓撲可以被視為糾纏的內稟性質而非模擬效應，從而為更穩健的量子通信、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，無需預先偏振化，該方法與現有結構光平臺具有廣泛兼容性，并可擴展到更高維。

　　羅伯特教授表示：“令人興奮的是，我們觀測到的拓撲并非人為設計——它早已存在于糾纏態之中。通過直接揭示和測量它，我們把臺式光學實驗與單極子和希格斯場的數學理論聯系起來，同時為高維量子技術創造了新的資源?！苯鹕酱髮W的安德魯·福布斯教授補充道：“僅用軌道角動量，我們突破了傳統的偏振范式。由此產生的拓撲譜隨著維數的增加呈現出爆炸式增長，為量子信息提供了一種規模龐大且具備抗噪性的高維量子態字集。”

　　關鍵發現主要包括：(1) 首個僅基于軌道角動量的斯格明子：團隊在由糾纏定義的兩個 OAM“球面”之間，創建并測量了斯格明子/反斯格明子映射。(2) 雙光子—單極子關聯：同一映射對應于’t Hooft–Polyakov單極子的希格斯場漸近紋理，將光學測量與規范理論的基石相連接。(3) 高維“拓撲譜”：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，隨著 d 增大產生成千上萬的候選不變量。(4) 既穩健又敏感：在現實噪聲下，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。

　　本研究具有重要應用價值。利用高維糾纏是實現安全量子通信與先進量子傳感的關鍵前沿，而拓撲化描述帶來了兩大優勢，即穩定性（拓撲特征對小擾動具有魯棒性）與可擴展性（可用的“字母表”隨維度迅速增長）。本研究提供了一個直接、以實驗為基礎的框架，用于測量、認證并利用這種拓撲。

　　本項目由我校與南非金山大學結構光團隊合作完成。團隊成員包括羅伯特、Pedro Ornelas、Neelan Gounden、盧伯強、Isaac Nape和Andrew Forbes。

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