西安交大张沛教授团队在量子非定域光学斯格明子领域取得重要进展

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文章导读

你可能从未想过，一种源自量子世界的微小结构，竟可能彻底改变未来光通信的抗干扰方式。当大气湍流让传统光信号扭曲失真，大多数人选择增强功率或复杂纠错，但西安交大张沛教授团队发现：真正该被保护的不是光强，而是“拓扑形状”。他们首次在实验中构建出非定域量子光学斯格明子，并揭示其在湍流中拓扑值竟可严格稳定，哪怕纠缠已严重衰减。这意味着，信息的“形状”比“内容”更耐摔。我们原以为噪声会摧毁量子特性，可这项发表于Nature Communications的研究却指向相反——某些结构天生抗扰。如果你正关注量子通信落地难题，这个被忽略的“拓扑免疫力”可能才是突破瓶颈的关键。它到底如何绕过传统限制？答案藏在光场自由度的不可分离性里。

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近日，西安交通大学物理学院张沛教授与新加坡南洋理工大学申艺杰教授团队和南非金山大学A. Forbes教授团队合作，在非定域光学斯格明子领域取得重要进展，相关成果于1月27日以“大气湍流扰动下经典与量子光学斯格明子的拓扑鲁棒性”为题发表于国际著名期刊Nature Communications。该研究系统分析了大气扰动对于光学斯格明子拓扑性的影响，实验上不仅实现了由两个光子构成的非定域量子光学斯格明子，还在湍流条件下验证了经典光学斯格明子同样具有拓扑鲁棒性。进一步分析显示，无论是在经典还是量子情形下，其拓扑稳定性均源于光场自由度之间的不可分离性。研究结果表明大气湍流扰动会明显降低双光子的纠缠度，但在一定的湍流强度范围内，斯格明子的拓扑值保持严格稳定。这一结果证明光学斯格明子的拓扑保护能力，为抗湍流的光通信提供了重要的新思路。

复杂介质（如大气湍流）导致的经典与量子结构光退化问题，是其在通信、能量传输、成像及传感领域实现实用化的关键障碍。本研究构建了经典与量子光学斯格明子，并通过实验模拟的大气湍流环境进行传输，揭示了其结构中蕴含的拓扑稳健性。对于非局域量子斯格明子，研究发现：尽管双光子纠缠在湍流作用下会快速衰减，但量子态的拓扑特性仍保持稳定。与之类似，局域经典斯格明子的矢量结构虽会因介质作用发生严重畸变，但其拓扑性质在较大范围的湍流强度内均可得到保持。严谨的解析与数值模拟对实验结果提供了支撑，验证了上述拓扑行为在量子与经典情形下的等效性，并表明其物理根源可归因于量子态的不可分离性以及传输信道所引入的单向演化特性。该研究从统一的拓扑视角揭示了复杂介质中结构光稳定传播的内在机制，为理解量子与经典光场在噪声环境下的共性行为提供了新的物理图像。同时，相关结果为发展具备抗湍流能力的自由空间光通信与信息编码方案奠定了重要的物理基础。

西安交大张沛教授团队在量子非定域光学斯格明子领域取得重要进展

该研究第一作者为西安交通大学物理学院2025届博士毕业生郭振宇（新加坡南洋理工大学博士后），通讯作者为西安交通大学物理学院张沛教授、新加坡南洋理工大学申艺杰教授和南非金山大学 A. Forbes教授。研究工作获国家重大研究计划重点项目、国家自然科学基金等多个项目支持。

近年来，张沛教授课题组开展了高维量子纠缠、高维量子通信、高维量子测量、量子精密与光场调控等基础研究，主要包括：基于光场轨道角动量自由度的高维量子纠缠态产生，并实现高维量子导引特殊结构的验证；高维量子密钥分发的理论方案与实验验证；高维量子不相容结构的理论方案与实验验证；新型结构光场的产生、传输及检测等。在物理科学领域顶级期刊Phys. Rev. Lett.、Nat. Commun.、Optica等发表一系列重要学术论文。研究工作得到国家级青年人才计划、国家自然科学基金、陕西省杰出青年基金、西安交大青年拔尖人才支持计划、中央高校基本科研业务费等项目的支持。

论文信息：Z. Guo, C. Peters, N. Mata-Cervera, A. Vetlugin, R. Guo, P. Zhang, A. Forbes, and Y. Shen, Topological robustness of classical and quantum optical skyrmions in atmospheric turbulence, Nat Commun(2026).

DOI：https://doi.org/10.1038/s41467-026-68751-3