科学家发现单个光子隐藏多个可操控的信息维度

在量子物理学里，光子一直被当作最小的"信使"，负责在纠缠粒子之间传递信息。

但在大多数人的想象中，光子就是一个点，一份能量包，最多携带一个比特的量子信息。南非金山大学（Wits）物理学家安德鲁·福布斯教授领导的团队，与巴塞罗那自治大学合作，正在颠覆这个直觉。他们在顶级期刊《自然·光子学》上发表的综述研究表明，通过精确控制光子在空间、时间和频谱上的结构，一个光子内部实际上藏有多个可操控的"维度"，每一个都可以用来编码信息，远远不止一个比特那么简单。

给光子"塑形"，打开新的编码空间

理解这项研究的关键概念，是"结构化量子光"。

普通的激光束，光子的相位和振幅在空间上分布均匀，就像一个完美的平面波。而"结构化光"指的是人为地精密调控光子在空间、时间或频率上的分布模式，创造出形状各异、维度更高的光场。用一个不太准确但直观的比喻来说：普通光子是一张白纸，只能写0或1；结构化光子更像一张地图，可以同时携带等高线、颜色、符号等多重信息层。

研究团队的核心工作，是将这套操控手段从经典光学推入量子层面。他们利用片上集成光子学、非线性光学、多平面光转换等工具，在单个光子的量子态上实现时空维度的精确工程化改造。这些结构化光子处于所谓的"高维量子态"，意味着单个光子可以同时存在于多个正交模式的叠加态中，理论上可以编码远超二进制的信息量。

福布斯表示，二十年前，用于定制量子光的工具几乎一片空白，研究者的"工具箱"基本是空的。"而如今，我们已经拥有了紧凑高效的片上量子结构光源，能够创建和控制这些量子态。"这种变化的速度，在基础物理学领域相当罕见。

高维编码的实用价值体现在两个层面。第一是信息容量：每个光子携带更多信息维度，意味着同样数量的光子可以传输更高密度的数据，对于未来量子通信网络的带宽而言至关重要。第二是抗干扰能力：高维量子态比传统的二维量子比特对噪声和干扰的抵抗力更强，这在充满各种电磁扰动的真实环境中极具实用意义。北京大学团队今年早些时候在《自然》上发表的研究，也从另一个角度印证了这一趋势，他们基于集成光量子芯片构建了可支持多用户并行通信的量子密钥分发网络，片上光子学正在迅速从实验室原型走向可扩展系统。

拓扑，是最坚固的盾

然而，结构化量子光面临的最大工程障碍也直接摆在眼前：传输距离。

空间结构化光子在光纤或大气信道中传播时，比传统的偏振编码光子更容易受到散射和湍流的影响，导致信号在传输一定距离后迅速退相干，量子信息被抹除。这个问题在室内或短距离场景下尚可应对，但对于城市间乃至洲际量子通信而言，它目前仍然是一个尚未攻克的瓶颈。

福布斯没有回避这个现实："无论是经典结构光还是量子结构光，其传输距离仍然非常有限。"但他同时将这个局限称为"机遇"，推动研究者去挖掘更多可以利用的量子自由度。

研究团队目前最看好的突破方向，是赋予量子态"拓扑性质"。拓扑学是数学中研究形状在连续变形下保持不变特性的分支，通俗地说，一个拓扑性质稳健的量子态，即使在外部扰动下也能保持其核心信息不被破坏，因为那些信息被编码在一种"本质不变量"中，而非容易被扰动抹去的局部细节里。

福布斯的团队已经在实验中证明，量子波函数天然具有可被利用的拓扑性质。他们进一步演示了量子光学"斯格明子"，这是一种具有拓扑保护特性的光场结构，并将其通过模拟大气湍流的信道进行了传输测试，结果显示这类拓扑量子态的稳定性确实显著优于普通结构化光子。

这个方向的技术前景，在量子信息领域引发了广泛关注。如果拓扑保护能够被可靠工程化，量子通信系统对真实物理环境的容忍度将发生质的改变，原本只能在实验室控制条件下运行的高维量子态，才有可能走上实用化的舞台。

《自然·光子学》发表综述本身的意义也值得单独说明：这类综述通常意味着一个领域已从零散探索期进入系统整合期，研究共同体认为时机成熟，可以为下一阶段的突破指明方向。对于结构化量子光学而言，这或许正是从基础科学走向量子技术基础设施的关键转折点。

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2026/02/260226042500.htm