科学家首次证实一项基本量子定律

守恒定律是我们理解自然科学的核心，因为它们主导着哪些过程是被允许或禁止的。一个简单的例子是碰撞的台球，其运动——以及随之产生的线动量——从一个球传递到另一个球。旋转的物体也存在类似的守恒规则，它们具有角动量。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关。

在量子领域，这意味着光的单个粒子，即所谓的光子，具有明确量子化的轨道角动量（OAM），这种角动量在光与物质相互作用时必须守恒。在最近发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）的一项研究中，坦佩雷大学的研究人员及其合作者现在将对这些守恒定律的测试推向了绝对的量子极限。他们探索了当单个光子分裂成一对光子时，轨道角动量的量子化守恒是否成立。

一减一等于零

守恒规则规定，例如，当一个轨道角动量为零的光子分裂成两个光子时，这两个光子的轨道角动量量子数之和必须为零。因此，如果发现新生成的一个光子具有一个轨道角动量量子，其配对光子必须具有相反的量子数，即负的轨道角动量量子。或者换句话说，简单的公式 1 + (-1) = 0 必须成立。虽然这些守恒规则已在无数使用激光的光学实验中得到验证和利用，但它们从未在单个光子的层面上被测试过。

该研究的主要作者 Lea Kopf 博士解释道：“我们的实验表明，即使该过程由单个光子驱动，轨道角动量也确实是守恒的。这在一个最基本层面上证实了关键的守恒定律，该定律最终基于过程的对称性。”

在实验室的草堆中寻找光子之针

该团队的实验依赖于精密的测量，因为所需的非线性光学过程效率极低。平均每十亿个光子中只有一个会转化为光子对，因此测量单个光子的轨道角动量守恒就像众所周知的“大海捞针”。

极其稳定的光学装置、低背景噪声、尽可能高效的检测方案以及大量的实验耐力，使研究人员得以记录足够多的成功转化事件，从而证实了这一基本守恒定律。

除了证实轨道角动量守恒外，该团队还在生成的光子对中首次观察到了量子纠缠的迹象，这表明该技术可以扩展到创建更复杂的光子量子态。

“这项工作不仅具有根本性的重要性，而且还让我们向生成新型量子态迈进了一大步，在这些量子态中，光子在所有可能的方式上——即空间、时间和偏振上——都是纠缠的，”领导实验量子光学组的 Robert Fickler 教授补充道，该实验正是在他的团队中完成的。

展望未来，研究人员计划提高方案的总体效率，并开发更好的策略来测量生成的量子态，以便将来能在实验室的“草堆”中更容易地找到这些“光子之针”。此外，研究人员旨在利用生成的多光子量子态进行新颖的基础量子测试以及量子通信和网络方案等量子光子学应用。