Физики из Университета Витватерсранда в ЮАР совместно с коллегами из китайского Университета Хучжоу выявили скрытые топологические структуры в системах запутанных фотонов. Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, описывает свойства световых полей, которые ранее оставались незамеченными при использовании стандартных методов квантовой оптики. Ученым удалось зафиксировать структуры в 48 измерениях, содержащие более 17 тысяч уникальных топологических признаков.
Для получения запутанных фотонов авторы работы применили метод спонтанного параметрического рассеяния. В процессе исследования выяснилось, что пространственная запутанность частиц сама по себе несет сложную топологическую информацию. Главной особенностью открытия стало то, что для формирования таких структур достаточно лишь одного свойства света – орбитального углового момента. Ранее в научной среде преобладало мнение, что для достижения подобного эффекта необходимо сочетание нескольких характеристик, включая поляризацию.
Чтобы идентифицировать эти закономерности, ученые использовали математический аппарат квантовой теории поля. Анализ показал, что в многомерных системах топология перестает описываться единичным показателем. Вместо этого возникает широкий набор характеристик, формирующих устойчивый базис для передачи данных. Исследователи называют этот феномен своего рода алфавитом, который можно использовать для кодирования квантовой информации.
Обнаруженные структуры обладают высокой устойчивостью к внешним воздействиям. Хотя состояния с орбитальным угловым моментом традиционно считались уязвимыми для шумов, топологический подход позволяет нейтрализовать этот недостаток. Практическая ценность работы подтверждается тем, что наблюдаемые эффекты достижимы в обычных лабораторных условиях без применения специализированных инженерных уставок. Это открывает путь к созданию более надежных систем квантовой связи и вычислений, защищенных от помех на фундаментальном физическом уровне.
