斯格明子是一種拓?fù)浞€(wěn)定的場(chǎng)構(gòu)型，它是由英國(guó)物理學(xué)家斯格明在1960年代提出的，他試圖用一種非線性的介子場(chǎng)理論來(lái)描述亞原子粒子。斯格明子的特點(diǎn)是它有一個(gè)整數(shù)的拓?fù)洳蛔兞浚凶鏊垢衩鲾?shù)。斯格明數(shù)是一個(gè)度量場(chǎng)的扭曲程度的量，它只能通過(guò)量子躍遷而改變，而不能通過(guò)連續(xù)的變形而改變。這就意味著，斯格明子是一種穩(wěn)定的場(chǎng)構(gòu)型，它不能平滑地變成另一種拓?fù)洳煌膱?chǎng)構(gòu)型。斯格明子的概念非常通用，它可以應(yīng)用于各種物理系統(tǒng)，比如凝聚態(tài)物理、聲學(xué)、光學(xué)等。

在光學(xué)中，斯格明子是一種光束，它的光強(qiáng)分布呈現(xiàn)出旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的環(huán)形，而它的偏振分布呈現(xiàn)出螺旋狀的旋轉(zhuǎn)。這種光束的拓?fù)洳蛔兞渴撬耐負(fù)潆姾桑且粋€(gè)度量光束的偏振旋轉(zhuǎn)次數(shù)的量。拓?fù)潆姾傻慕^對(duì)值越大，光束的拓?fù)浞€(wěn)定性越強(qiáng)，它越不容易被散射或衍射而破壞。斯格明子光束可以用特殊的光學(xué)元件來(lái)產(chǎn)生，比如液晶屏或空間光調(diào)制器。斯格明子光束有許多潛在的應(yīng)用，比如光學(xué)捕獲、光學(xué)通信、光學(xué)加密等。

但是，斯格明子光束都是局域的，即它們只存在于一個(gè)光子的場(chǎng)構(gòu)型中。如果我們想要研究斯格明子的量子性質(zhì)，我們就需要考慮非局域的斯格明子，即存在于多個(gè)光子的量子糾纏態(tài)中。最近發(fā)表在《自然光子學(xué)》的一篇論文，它報(bào)告了第一個(gè)非局域的斯格明子量子態(tài)，它是由兩個(gè)光子組成的，每個(gè)光子都是一個(gè)平面波，沒(méi)有任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但是，當(dāng)這兩個(gè)光子糾纏在一起時(shí)，它們的總波函數(shù)就具有了一個(gè)非零的拓?fù)潆姾桑褪且粋€(gè)斯格明子。這種非局域的斯格明子量子態(tài)可以用一個(gè)特殊的光學(xué)裝置來(lái)制備和測(cè)量，它包括一個(gè)非線性晶體、一個(gè)偏振分束器、一個(gè)空間光調(diào)制器和一個(gè)單光子探測(cè)器。

這種非局域的斯格明子量子態(tài)有什么特別的呢？它的特別之處在于它的拓?fù)浞€(wěn)定性。我們知道，量子糾纏是一種非常脆弱的現(xiàn)象，它很容易受到環(huán)境的干擾而衰減。當(dāng)量子糾纏衰減時(shí)，量子態(tài)的波函數(shù)會(huì)發(fā)生變化，它可能會(huì)變得更加混亂或更加簡(jiǎn)單。但是，對(duì)于非局域的斯格明子量子態(tài)，它的波函數(shù)的變化是有限制的，它不能變成任意的形式，它只能變成另一個(gè)拓?fù)湎嗤乃垢衩髯恿孔討B(tài)。這就是說(shuō)，這種量子態(tài)的拓?fù)洳蛔兞渴且粋€(gè)守恒量，它不會(huì)因?yàn)榧m纏衰減而改變。這種拓?fù)浔Ｗo(hù)的機(jī)制，我們稱之為拓?fù)湓肼曇种疲沟梅蔷钟虻乃垢衩髯恿孔討B(tài)對(duì)糾纏衰減有很強(qiáng)的抵抗能力，它可以保持其拓?fù)洳蛔儯钡郊m纏完全消失為止。

這種拓?fù)湓肼曇种频臋C(jī)制是非常有趣的，它揭示了糾纏和拓?fù)渲g的深刻聯(lián)系，它也為利用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的量子態(tài)來(lái)創(chuàng)建和保護(hù)量子信息提供了一個(gè)有前景的途徑。我們可以想象，如果我們能夠制備和操作更多的非局域的斯格明子量子態(tài)，我們就可以構(gòu)建出一種拓?fù)淞孔佑?jì)算的模型，它可以利用拓?fù)洳蛔兞縼?lái)編碼和處理量子信息，而不受糾纏衰減的影響。這種拓?fù)淞孔佑?jì)算的模型可能會(huì)比現(xiàn)有的量子計(jì)算模型更加穩(wěn)定和高效，它也可能會(huì)帶來(lái)一些新的量子算法和量子協(xié)議。當(dāng)然，這還需要我們做更多的理論和實(shí)驗(yàn)的研究，才能將這種想法變成現(xiàn)實(shí)。