研究人员利用拓扑学对量子信息进行编码，从而找到了一种抵抗通常会扰乱纠缠态的噪声的方法，有望提高量子技术的可靠性。

量子稳定性方面的突破

来自南非约翰内斯堡金山大学（Wits University）的研究人员与中国湖州大学合作，发现了一种保护量子信息免受环境干扰的方法。这是一项可能使量子技术更加可靠的突破性进展。

在3月26日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）杂志上的一项研究中，研究团队表明，即使暴露在正常会对其产生干扰的环境“噪声”中，某些量子态仍能保留其基本信息。

“我们的研究结果表明，拓扑结构是在存在噪声的情况下对信息进行编码的强大资源，”来自威特斯大学物理学院的安德鲁·福布斯教授说道。

纠缠：既脆弱又基础

量子纠缠是一种奇特的连接，能让粒子无视距离瞬间互相影响，它是许多量子技术的核心。尽管它让科学家着迷并成为头条新闻的灵感来源，但阿尔伯特·爱因斯坦却著名地将此斥为“幽灵般的超距作用”。

尽管量子纠缠颇具潜力，但它却极其脆弱。在现实环境中，由于背景光、杂散信号、探测器不完善或光子丢失，量子纠缠会迅速瓦解。这些环境噪声会切断纠缠粒子之间的联系，使其无法用于传输量子信息。

战略转变：保护信息，而非连接

为了克服这个问题，人们提出了许多策略来尝试保持这种纠缠，但迄今为止成效甚微。威特斯大学团队已经证明，这种方法是可以被操控的，其能让纠缠保持脆弱，同时保护量子信息。

福布斯表示：“我们正在精心设计量子波函数（一种能捕捉量子系统所有可能状态的数学描述），以保持量子信息的稳定性，即使潜在的量子连接开始崩溃，量子信息依然保持稳定。”

拓扑学力挽狂澜

研究人员发现，通过构建具有特定拓扑性质的量子态，他们可以在粒子间的纠缠开始瓦解时仍然保持量子信息。

“我们发现拓扑结构是在存在噪声的情况下对信息进行编码的强大资源。只要存在纠缠，它庞大的编码字母表就完全不受噪声的影响。”

量子信息数字化

Robert de Mello Koch 教授解释说，这种对量子波形拓扑的操控可以被视为一种“量子信息的数字化”形式，其之所以成为可能，是因为拓扑可观测值具有离散性，只能取整数值，例如 -2、-1、1 和 2。

离散信号对噪声的影响具有更强的鲁棒性。原因在于，对于离散信号而言，噪声必须能够在任何效果被记录之前使信号在两个离散状态之间翻转。

研究团队认为，正如数字技术让经典计算与通信取得成功一样，数字量子信号也将在现实条件下实现成功的量子计算与通信，而无需采用补偿策略。

下一代量子技术应用

福布斯（Forbes）说：“这一突破可用于克服下一代量子技术以及全球量子网络中量子计算机的噪声。在利用纠缠现象创造先进的医学成像技术和更强大的人工智能系统方面，这一突破尤其具有宝贵价值。”

参考文献：《佩德罗·奥内拉斯、艾萨克·纳佩、罗伯特·德梅洛·科赫和安德鲁·福布斯于2025年3月26日在《自然-通讯》上发表的“量子斯格明子的拓扑噪声抑制”》。数字对象唯一标识符：10.1038/s41467-025-58232-4