斯格明子（Skyrmions）作为一种拓扑保护的准粒子，在从粒子物理、凝聚态到光子学的众多领域都具有重要意义。特别是在光子学中，人们已能在自由空间构建传播的光学斯格明子，这为拓扑保护的经典和量子信息传输带来了机遇。然而，在实际应用场景中，例如星地通信或大气链路，光信号必须穿越复杂介质——大气湍流。湍流会导致光束波前畸变、强度闪烁和相干性退化，严重阻碍了结构光的实际应用。一个核心问题由此产生：光学斯格明子的拓扑结构能否在湍流这种复杂环境中存活？
本研究首次在实验上同时构建了经典光学斯格明子和非局域量子斯格明子，并将它们通过实验模拟的大气湍流信道进行传输，系统性地揭示了其拓扑结构的鲁棒性。
经典-量子拓扑等价性框架：
研究团队首先建立了一个统一的理论框架，阐明了经典矢量光场（局域非分离态）与量子纠缠态（非局域非分离态）在描述斯格明子拓扑时的等价性。大气湍流作为一个典型的单边信道（主要影响空间模式，而不影响偏振），对两者施加了相似的扰动。
图1：经典与量子斯格明子在湍流中的示意图。在非局域量子情形中，蓝色和红色球体分别代表携带OAM的光子A和携带偏振信息的光子B。在经典类比中，它们对应光束的OAM和偏振自由度。尽管湍流会降低量子纠缠或经典相关性，但斯格明子数始终保持不变。
实验利用自发参量下转换产生纠缠光子对，通过精密调控构建了非局域量子斯格明子态。当将其通过模拟湍流后，量子态层析结果显示，尽管光子对的纠缠度（concurrence）随着湍流增强而迅速下降，但由斯托克斯参数重构的斯格明子场的拓扑荷数N却始终保持不变（图2h）。这意味着，即使量子关联本身是脆弱的，但编码在全局拓扑结构中的信息却得到了保护。
经典斯格明子的拓扑鲁棒性：
在经典实验中，研究人员利用空间光调制器和萨格纳克干涉仪生成了不同拓扑荷数（N=1到5）的矢量光斯格明子，并让其通过由相位屏模拟的不同强度（近场、远场、不同传输距离）的湍流。结果表明，在绝大多数实际湍流强度下，测得的斯格明子数与理论值完美吻合。即使在极强湍流导致光束严重畸变的情况下，拓扑荷的偏差也极小（图3, 4）。这证明经典斯格明子同样具备强大的拓扑保护能力。
为进一步模拟真实的长距离大气链路，研究团队还进行了多相位屏的数值波传播模拟，总信道长度达100米（图4）。结果显示，即使在导致光束严重畸变的强湍流（Rytov方差高达3.0）下，所有被测拓扑荷数的斯格明子（N=1到5）的输出拓扑荷数依然稳定在理论值附近，展现出极强的生存能力。
图4：厚介质湍流中的斯格明子。(a) 模拟100米信道、5个相位屏的几何示意图。(b) 不同湍流强度下LG2模式的强度分布示例。(c) 不同N的斯格明子输出拓扑荷数随Rytov方差σR²的变化。
研究揭示，湍流对空间模式的扰动，在满足光滑且保定向的条件下，可等效为对坐标系的连续保定向变换。根据拓扑学原理，这种变换不改变斯格明子从实空间到庞加莱球的映射度，即拓扑荷数。因此，尽管光场的强度和偏振细节可能面目全非，但其拓扑身份却得以保全。
跨领域意义：
该工作不仅深化了我们对经典与量子系统对应关系的理解，更证明拓扑保护可以作为一种实用的资源，用于在复杂环境中实现抗噪的信息传输。这为发展鲁棒的自由空间光通信、抗湍流的量子密钥分发、环境自适应的量子传感等下一代光子技术奠定了坚实的理论和实验基础。这种拓扑保护机制的普适性，也预示着它可以被扩展到声波、电子波等其他物理平台。
[在湍流的混沌中，拓扑是光信息最后的“压舱石”。从经典到量子，斯格明子正为抗噪通信写下新的注脚。]
相关信息：课题组网站：https://shen-lab.mystrikingly.com/；课题组中文推送：https://mp.weixin.qq.com/s/1yP7pd1J37zuJ7v8m3yO2w
Z. Guo, C. Peters, N. Mata-Cervera,et al., “Topological robustness of classical and quantum optical skyrmions in atmospheric turbulence”, Nature Communications (2026).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-026-68751-3
撰稿：课题组
