論文の概要: Quantum Skyrmions in Mixed States of Light and their Nested Topology
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.23571v1
- Date: Sun, 26 Apr 2026 07:22:29 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-28 17:12:07.438039
- Title: Quantum Skyrmions in Mixed States of Light and their Nested Topology
- Title（参考訳）: 光の混合状態における量子スカイミオンとそのネストトポロジー
- Authors: Amit Kam, Charles Roques-Carmes, Shai Tsesses, Aviv Karnieli,
- Abstract要約: 光のトポロジカル準粒子、例えば古典的および量子光学スカイミオンは、これまで完全なコヒーレントまたは純粋な量子状態に依存してきた。
混合量子状態の密度行列内で、スカイミニオントポロジーが直接現れることを示す。
我々の研究は、部分的にコヒーレントな光や混合量子状態に関する古典的な情報を強固に符号化する方法を開拓している。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.0
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Topological quasiparticles of light, such as classical and quantum optical skyrmions, have so far relied on fully coherent or pure quantum states whose topology is encoded in the entanglement between polarization and two-dimensional spatial modes. Here we show that skyrmionic topology can emerge directly within the density matrix of a mixed quantum state. We introduce a framework in which a coherence-Stokes vector defines a topological texture over the density matrix, enabling the realization of quantum skyrmions using only a pseudospin and a real or synthetic one-dimensional space of modes. For a single photon, the density matrix is analogous to the coherence matrix of classical light, and can be encoded using partially coherent electromagnetic fields. We further analyze the topological texture encoded in a bipartite entangled photon pair, showing how skyrmions arise not only in the full bi-photon system, but also in its reduced subspaces with any pseudospin-mode combination simultaneously. We then explore the robustness of such skyrmions to environmental noise, and discover their persistence in mixed-quantum states of multiple photons. Finally, we propose a feasible experimental route to generate and measure such skyrmions using integrated photonic networks, and suggest avenues for similar implementations in other quantum systems. Our work paves the way for robustly encoding classical information on partially coherent light or on mixed quantum states and for encoding topological charges on many-body quantum systems.
- Abstract（参考訳）: 光のトポロジカル準粒子、例えば古典的および量子光学スカイミオンは、これまで、偏光と2次元空間モードの絡み合いにトポロジがエンコードされる完全コヒーレントまたは純粋量子状態に依存してきた。
ここでは、混合量子状態の密度行列内で、スカイミニオントポロジーが直接現れることを示す。
我々は,コヒーレンス・ストークスベクトルが密度行列上の位相的テクスチャを定義する枠組みを導入し,擬スピンと実あるいは合成されたモードの1次元空間のみを用いて量子スカイミオンの実現を可能にする。
単一の光子に対して、密度行列は古典光のコヒーレンス行列に類似しており、部分的にコヒーレントな電磁場を用いて符号化することができる。
さらに、両光子対にエンコードされたトポロジカルテクスチャを解析し、完全な双光子系だけでなく、擬似スピンモードとモードの組み合わせを同時に行うことで、スカイミオンがどのように生じるかを示す。
次に、環境騒音に対するこのようなスカイミオンの頑丈さを探求し、複数の光子の混合量子状態におけるそれらの持続性を発見する。
最後に、集積フォトニックネットワークを用いて、このようなスカイミオンを発生・測定するための可能な実験経路を提案し、他の量子系における同様の実装のための方法を提案する。
我々の研究は、部分的にコヒーレントな光や混合量子状態の古典情報を強固に符号化し、多体量子系のトポロジ的電荷を符号化する方法である。
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