Des chercheurs de l'université du Witwatersrand en Afrique du Sud et de l'université de Huzhou ont découvert des structures topologiques cachées dans des photons intriqués, atteignant jusqu'à 48 dimensions. Ces modèles émergent du moment angulaire orbital de la lumière produite par conversion paramétrique descendante spontanée. Les résultats, publiés dans Nature Communications, suggèrent de nouvelles façons de coder l'information quantique.
Des scientifiques de l'université du Witwatersrand (Wits) en Afrique du Sud, en collaboration avec des chercheurs de l'université de Huzhou, ont identifié des structures topologiques jusqu'ici invisibles dans des photons intriqués générés par conversion paramétrique descendante spontanée (SPDC), une technique courante en optique quantique. Ces structures s'étendent sur 48 dimensions et comprennent plus de 17 000 signatures topologiques distinctes, formant un nouvel « alphabet » pour le codage stable de l'information quantique. La découverte repose uniquement sur le moment angulaire orbital (OAM) de la lumière, remettant en cause les hypothèses antérieures selon lesquelles plusieurs propriétés telles que l'OAM et la polarisation étaient nécessaires pour de telles topologies. Le professeur Andrew Forbes, de l'école de physique de Wits, a déclaré : « Nous rapportons une avancée majeure dans ces travaux : nous n'avons besoin que d'une seule propriété de la lumière (l'OAM) pour créer une topologie, alors qu'auparavant on supposait qu'au moins deux propriétés seraient nécessaires, généralement l'OAM et la polarisation. La conséquence est que, comme l'OAM est de haute dimension, la topologie l'est aussi, ce qui nous a permis de rapporter les topologies les plus élevées jamais observées. » Au-delà de deux dimensions, ces topologies nécessitent une plage de valeurs pour être décrites, contrairement aux systèmes plus simples. Pedro Ornelas a noté : « Vous obtenez la topologie gratuitement, grâce à l'intrication dans l'espace. Elle a toujours été là, il suffisait de la trouver. » L'auteur principal, le professeur Robert de Mello Koch de l'université de Huzhou, a expliqué : « Dans les hautes dimensions, il n'est pas si évident de savoir où chercher la topologie. Nous avons utilisé des notions abstraites issues de la théorie quantique des champs pour prédire où et quoi chercher, et nous l'avons trouvé dans l'expérience ! » L'effet est accessible dans la plupart des laboratoires d'optique quantique sans équipement spécialisé. L'étude, intitulée « Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light », est publiée dans Nature Communications (2025; 16(1); DOI: 10.1038/s41467-025-66066-3), avec pour auteurs Robert de Mello Koch, Pedro Ornelas, Neelan Gounden, Bo-Qiang Lu, Isaac Nape et Andrew Forbes.