这个发现本身就带着一丝戏剧性：它不是在某个造价数亿美元的全新实验装置里被找到的，而是藏在全球数百个量子光学实验室里那台最普通的仪器里，已经等待了数十年。
2025年12月，南非金山大学与中国湖州大学的联合研究团队，在《自然通讯》上发表了一项令量子物理学界为之一振的研究：他们在最常规的纠缠光子实验中，发现了一个此前完全未知的拓扑结构世界，维度高达48维，包含超过17000种不同的拓扑特征。
这不是计算机模拟的理论预言，而是实验室里实实在在测量到的结果。
光的"隐藏骨架"是什么
要理解这个发现，需要先弄清楚两个概念：纠缠光子，和拓扑结构。
量子纠缠是量子力学中最奇特的现象之一：两个粒子一旦发生纠缠，无论相距多远，对其中一个的测量会瞬间影响另一个的状态。在量子光学实验室里，产生纠缠光子最标准的方法叫做"自发参量下转换"，简称SPDC：一束激光打进特殊晶体，一个光子分裂成两个能量更低的纠缠光子。全球无数实验室每天都在重复这个操作，它是量子信息研究的基础工具。
拓扑结构则是数学中描述形状"根本属性"的概念，它关注的不是具体几何细节，而是那些在连续形变过程中保持不变的特征。最经典的比喻：一个甜甜圈和一个马克杯在拓扑上是等价的，因为它们都有一个洞；但它们和一个实心球体是本质不同的。拓扑结构天然具有稳定性，这正是量子信息领域梦寐以求的特性。因为量子信息最大的敌人就是"噪声"，而拓扑保护的信息，从原理上讲，对外界干扰的抵抗力要强得多。
研究团队利用光的"轨道角动量"这一属性展示了这套结构。轨道角动量描述的是光束螺旋波前的特征，可以取无限多个离散值。金山大学安德鲁·福布斯教授指出了这项工作最关键的一个突破点："我们只需要光的一个属性，轨道角动量，就能构建拓扑结构。此前学界普遍认为，至少需要两个属性，通常是轨道角动量加上偏振。"
正因为轨道角动量本身是高维的，由它衍生出的拓扑结构也可以扩展到极高的维度。这就是48维这个数字的来源。而一旦拓扑结构超过二维，就无法再用单个数字来描述它，而需要一组拓扑数值，这反映的是比以往认知丰富得多的内部结构。
"一直在那里，只是没人找到"
这项发现的另一个耐人寻味之处，是它的唾手可得性。
论文作者之一佩德罗·奥内拉斯说了一句话，简洁到有些令人惊讶："这个拓扑结构是免费附赠的，它来自空间中的纠缠，一直都在那里，只是需要被人发现。"
换句话说，全球那些每天用SPDC产生纠缠光子的实验室，多年来一直坐在这个隐藏的高维结构上，却浑然不知。发现它不需要新仪器，不需要改造实验室，需要的只是换一个角度去看问题。湖州大学罗伯特·德·梅洛·科赫教授是论文第一作者，他描述了找到这个结构的关键路径："在高维空间中，拓扑结构藏在哪里并不显而易见。我们借用了量子场论中的抽象概念来预测应该在哪里找、找什么，最终在实验中验证了。"
这种跨领域工具的借用，本身就是这项研究的亮点之一。把量子场论的数学框架用来分析量子光学实验数据，需要相当大的理论勇气，而事实证明，这条路走通了。
对量子信息领域而言，这个发现打开的想象空间相当宽阔。轨道角动量纠缠此前虽然被广泛研究，但实用性受限于一个老问题：这类量子态脆弱，容易受到环境干扰而退相干。研究团队现在提出，如果从拓扑学的视角重新审视轨道角动量纠缠，情况可能大不相同。拓扑保护意味着即使信号在传输中受到噪声扰动，编码在拓扑特征里的信息依然可以保持完整。
超过17000种拓扑特征，构成了一个前所未有的量子信息"字母表"。用更丰富的字母表，意味着可以在单次量子通信中编码更多内容，同时维持更高的抗干扰能力。在量子计算机和量子通信网络的实用化道路上，这是两个同等重要的目标。
这个48维的世界，藏在最平常的实验光束里，等了几十年，终于被人读懂了。
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