科学家首次证实了一个基本量子规则

守恒定律是我们自然科学理解的核心，因为它们支配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，其中运动——以及它们的线性动量——从一个球转移到另一个球。旋转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)，这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，具有明确量化的OAM，在光与物质相互作用中需要守恒。在最近发表在《物理评论快报》的一项研究中，坦佩雷大学的研究人员及其合作者，已经将这些守恒定律的测试推向了绝对量子极限。他们探索当单个光子分裂成光子对时，OAM量子是否守恒。

一减一等于零

守恒规则规定，例如，当一个具有零OAM的光子分裂成两个光子时，两个光子的OAM量子之和必须为零。因此，如果新生成的一个光子被发现具有一个OAM量子，其伙伴光子必须具有相反的，即负的OAM量子。或者换句话说，简单公式1 + (-1) = 0需要成立。尽管这些守恒规则已经在无数使用激光的光学实验中被测试和利用，但它们从未针对单个光子进行测试。

"我们的实验表明，即使过程由单个光子驱动，OAM确实是守恒的。这确认了一个关键守恒定律在最基本层面，这最终基于过程的对称性，"研究的主要作者Lea Kopf博士解释道。

在实验室草堆中寻找光子针

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。只有每十亿分之一的光子被转换成光子对，因此测量单个光子的OAM守恒类似于谚语中的草堆寻针。

一个极其稳定的光学设置、低背景噪声、具有最高可能效率的检测方案，以及大量的实验耐力，使研究人员能够记录足够多的成功转换，从而确认了基本守恒定律。

除了确认OAM守恒外，团队在生成的光子对中观察到了量子纠缠的初步迹象，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重要性，而且使我们更接近生成新颖的量子态一大步，其中光子在所有可能的方式中纠缠，即在空间、时间和偏振上，"领导实验量子光学组的Robert Fickler教授补充道，该实验在该组进行。

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，以便将来在实验室草堆中更容易找到这些光子针。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本量子测试和量子光子学应用，如量子通信和网络方案。