科学家们首次验证了量子力学的一项基本规则

守恒定律是我们自然科学理解的核心，因为它们规定了哪些过程是允许的或禁止的。一个简单的例子是台球的碰撞，其中运动（以及随之而来的线动量）从一个球传递到另一个球。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，这意味着被称为光子的单个光粒子具有明确定义的OAM量子，这些量子在光与物质相互作用中必须守恒。在最近发表于《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，将这些守恒定律的测试推向了绝对量子极限。他们探究当单个光子分裂成光子对时，OAM量子的守恒是否依然成立。

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，这两个光子的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，其配对光子必须具有相反的OAM量子，即负OAM量子。换言之，简单的公式 1 + (-1) = 0 必须成立。尽管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应用，但从未在单个光子层面进行过测试。

"我们的实验表明，即使该过程由单个光子驱动，OAM也确实是守恒的。这从最基础的层面证实了一个关键的守恒定律，该定律最终基于过程的对称性，"该研究的主要作者莱亚·科普夫博士解释道。

在实验室的草堆中寻找光子之针

由于所需的非线性光学过程效率极低，该团队的实验依赖于精密的测量。只有十亿分之一的光子会转化为光子对，因此测量单个光子的OAM守恒就像谚语所说的草堆寻针。

极其稳定的光学装置、低背景噪声、尽可能最高效的探测方案以及大量的实验耐力，使研究人员能够记录到足够的成功转换事件，从而证实了基本的守恒定律。

除了确认OAM守恒外，该团队在生成的光子对中观察到了量子纠缠的初步迹象，这表明该技术可扩展用于创建更复杂的光子量子态。

"这项工作不仅具有基础重要性，还使我们朝着生成新型量子态迈出了重要一步——光子可在空间、时间和偏振等所有维度上实现纠缠，"负责该实验的实验量子光学组负责人罗伯特·法克勒教授补充道。

展望未来，研究人员计划提高方案的整体效率，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。