罕见的测试证明了基本的量子规则
坦佩雷大学的研究人员及其来自德国和印度的合作者通过实验证实，当单个光子转换为一对光子时，角动量是守恒的，这是首次在量子水平上验证了物理学的一个关键原理。 这一突破为创建可用于计算、通信和传感的复杂量子态开辟了新的可能性。 保护法是我们自然科学理解的核心，因为它们管理着哪些进程是允许的，也可以禁止的。 一个简单的例子是撞台球，其中运动 - 以及它们的线性动量 - 从一个球传递到另一个球。具有角动量的旋转物体也存在类似的守恒规则。 有趣的是，光也可以具有角动量，例如轨道角动量（OAM），它与光的空间结构相连。 在量子领域，这意味着单个光粒子，所谓的光子，具有明确定义的 OAM 量子，需要在光-物质相互作用中守恒。 在最近的一项研究中物理评论快报，坦佩雷大学的研究人员和他们的合作者现在已经将这些守恒定律的测试推到了绝对量子极限。 他们探索当单个光子被分割成光子对时，OAM 量子守恒是否成立。 一减一等于零 守恒规则规定，例如，当光子为零时OAM 被分成两个光子，两个光子的 OAM 量子必须相加为零。 因此，如果发现其中一个新生成的光子具有一个 OAM 量子，则其伙伴光子必须具有相反的 OAM 量子，即负 OAM 量子。 或者换句话说，简单的公式 1 （-1） = 0 需要成立。 虽然这些守恒规则已经在无数激光光学实验中进行了测试和利用，但它们从未针对单个光子进行过测试。 “我们的实验表明，OAM 是事实上，即使该过程由单个光子驱动，也是守恒的。 这在最基本的层面上证实了一个关键的守恒定律，它最终基于过程的对称性，“博士解释道。 Lea Kopf，她是该研究的主要作者。 在实验室大海捞针中寻找光子针 该团队的实验依赖于精细的测量，因为所需的非线性光学过程效率非常低。 只有每十亿个光子被转换为一个光子对，因此，测量单光子的 OAM 守恒类似于众所周知的大海捞针。 极其稳定的光学设置、低背景噪声、具有尽可能高效率的检测方案以及大量的实验耐久性使研究人员能够记录足够多的成功转换，从而能够确认基本守恒定律。 除了确认 OAM 保护外，该团队还观察到了生成的光子对中的量子纠缠，这表明该技术可以扩展以创建更复杂的光子量子态。 教授补充道：“这项工作不仅具有根本性的重要性，而且还使我们离生成新的量子态又近了一大步，其中光子以各种可能的方式纠缠在一起，即在空间、时间和偏振中。 罗伯特·菲克勒 （Robert Fickler），他领导了进行实验的实验量子光学小组。 展望未来，研究人员计划提高其方案的整体效率，并开发更好的策略来测量生成的量子态，以便将来可以在实验室大海捞针中更容易找到这些光子针。 此外，研究人员还旨在利用生成的多光子量子态进行新的基础量子测试和量子光子学应用，例如量子通信和网络方案。