南アフリカのウィットウォーターズランド大学と湖州大学の研究チームが、もつれ状態にある光子の中に最大48次元に達する隠れたトポロジー構造を発見した。これらのパターンは、自発的パラメトリック下方変換によって生成された光の軌道角運動量から生じるものである。Nature Communications誌に掲載されたこの研究成果は、量子情報を符号化する新たな方法を示唆している。
南アフリカのウィットウォーターズランド大学（Wits）の科学者らは、湖州大学の研究者らと共同で、一般的な量子光学技術である自発的パラメトリック下方変換（SPDC）によって生成された、もつれ光子の中にこれまで未知であったトポロジー構造を特定した。これらの構造は48次元にまで及び、1万7,000以上の異なるトポロジー的特徴を含んでおり、安定した量子情報符号化のための新たな「アルファベット」を形成する。この発見は光の軌道角運動量（OAM）のみに依存しており、こうしたトポロジーにはOAMと偏光のような複数の特性が必要であるという従来の仮説を覆すものである。Wits物理学部のAndrew Forbes教授は次のように述べている。「我々はこの研究において大きな進歩を報告する。トポロジーを形成するために必要な光の特性は一つ（OAM）だけであり、従来は少なくとも二つ（通常はOAMと偏光）の特性が必要であると考えられていた。その結果として、OAMは高次元であるためトポロジーも高次元となり、観測史上最も高いトポロジーを報告することができた」。単純な系とは異なり、2次元を超えるこれらのトポロジーを記述するには一連の値が必要となる。Pedro Ornelas氏は「トポロジーは空間的なもつれから自然に得られる。それは常にそこに存在しており、ただ発見されるのを待っていただけである」と指摘した。筆頭著者である湖州大学のRobert de Mello Koch教授は「高次元においては、どこにトポロジーが存在するのかを探すのは容易ではない。我々は量子場理論の抽象的な概念を用いて、どこを探すべきか、何を探すべきかを予測し、実験でそれを発見した！」と説明した。この現象は特別な装置を必要とせず、多くの量子光学研究所で再現可能である。この研究は「Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light（もつれ光子における軌道角運動量状態のトポロジー的性質の解明）」と題され、Nature Communications（2025; 16(1); DOI: 10.1038/s41467-025-66066-3）に掲載された。著者にはRobert de Mello Koch、Pedro Ornelas、Neelan Gounden、Bo-Qiang Lu、Isaac Nape、Andrew Forbesが名を連ねている。