Forskare från University of the Witwatersrand i Sydafrika och Huzhou University har upptäckt dolda topologiska strukturer i sammanflätade fotoner som sträcker sig upp till 48 dimensioner. Dessa mönster uppstår ur ljusets banrörelsemängdsmoment, producerat via spontan parametrisk nedkonvertering. Resultaten, som publicerats i Nature Communications, föreslår nya sätt att koda kvantinformation.
Forskare vid University of the Witwatersrand (Wits) i Sydafrika, i samarbete med forskare från Huzhou University, har identifierat tidigare osedda topologiska strukturer i sammanflätade fotoner genererade genom spontan parametrisk nedkonvertering (SPDC), en vanlig teknik inom kvantoptik. Dessa strukturer sträcker sig till 48 dimensioner och omfattar över 17 000 distinkta topologiska signaturer, vilket bildar ett nytt 'alfabet' för stabil kodning av kvantinformation. Upptäckten bygger enbart på ljusets banrörelsemängdsmoment (OAM), vilket utmanar tidigare antaganden om att flera egenskaper som OAM och polarisation krävdes för sådana topologier. Professor Andrew Forbes från Wits School of Physics uppgav: 'Vi rapporterar ett stort framsteg i detta arbete: vi behöver bara en egenskap hos ljus (OAM) för att skapa en topologi, medan det tidigare antogs att minst två egenskaper skulle behövas – vanligtvis OAM och polarisation. Konsekvensen är att eftersom OAM är högdimensionellt, så är även topologin det, och detta gjorde det möjligt för oss att rapportera de högsta topologier som någonsin observerats.' Utöver två dimensioner kräver dessa topologier en rad värden för att beskrivas, till skillnad från enklare system. Pedro Ornelas noterade: 'Man får topologin gratis, från sammanflätningen i rummet. Den har alltid funnits där, den behövde bara upptäckas.' Huvudförfattaren professor Robert de Mello Koch från Huzhou University förklarade: 'I höga dimensioner är det inte så uppenbart var man ska leta efter topologin. Vi använde abstrakta begrepp från kvantfältteori för att förutsäga var vi skulle leta och vad vi skulle leta efter – och vi hittade det i experimentet!' Effekten är tillgänglig i de flesta kvantoptiklaboratorier utan specialutrustning. Studien med titeln 'Revealing the topological nature of entangled orbital angular momentum states of light' publiceras i Nature Communications (2025; 16(1); DOI: 10.1038/s41467-025-66066-3), med författarna Robert de Mello Koch, Pedro Ornelas, Neelan Gounden, Bo-Qiang Lu, Isaac Nape och Andrew Forbes.
