Учёные обнаружили скрытую топологию в запутанных фотонах, открыв путь к устойчивым квантовым вычислениям

Международная группа исследователей совершила прорывное открытие в области квантовой оптики. Они обнаружили, что в запутанных фотонах, которые являются стандартным инструментом большинства лабораторий, скрываются сложные топологические структуры невероятно высокой размерности.

Примеры квантовых топологий, представленные в виде векторных текстур на сфере. Автор: Университет Витватерсранда

Учёные из Университета Витватерсранда (ЮАР) и Хучжоуского университета (Китай) выяснили, что в процессе спонтанного параметрического рассеяния (SPDC), который генерирует запутанные фотоны, естественным образом закодирована топология в пространственных степенях свободы света. Работая с орбитальным угловым моментом (OAM) фотонов, команда смогла выявить эти скрытые структуры, достигнув рекордной размерности в 48 измерений с более чем 17 000 топологических сигнатур.

«Мы сообщаем о большом прогрессе в этой работе: нам нужно только одно свойство света (OAM), чтобы создать топологию, тогда как ранее предполагалось, что потребуется как минимум два свойства — обычно OAM и поляризация», — поясняет профессор Эндрю Форбс из Школы физики Университета Витватерсранда.

Примеры квантовых топологий, представленные в виде векторных текстур на сфере. Автор: Университет Витватерсранда

Как сообщается в журнале Nature Communications, это открытие означает, что топология является неотъемлемым свойством самого запутанного состояния. Поскольку OAM может принимать бесконечное число значений, то же самое справедливо и для топологии, что открывает огромный «алфавит» для кодирования квантовой информации.

Ключевым преимуществом является то, что для работы с этой топологией не требуется специального «квантового инженера» — необходимые ресурсы уже есть в большинстве лабораторий квантовой оптики. Педро Орнелас, один из авторов работы, отмечает: «Вы получаете топологию бесплатно, из пространственной запутанности. Она всегда там была, её просто нужно было найти».

Ведущий автор исследования, профессор Роберт де Мелло Кох из Хучжоуского университета, добавил, что для поиска топологии в высоких размерностях команда использовала абстрактные концепции квантовой теории поля.

Это открытие может кардинально изменить подход к созданию квантовых систем. До сих пор запутанность на основе OAM считалась хрупкой и уязвимой для шумов. Теперь же, с пониманием её внутренней топологии, открываются новые пути для создания устойчивых к помехам квантовых компьютеров и систем связи, способных работать в реальных условиях.

Больше информации: Robert de Mello Koch et al, Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-66066-3