科学家首次证明一条基本量子规则

守恒定律是我们自然科学理解的核心，因为它们规定了哪些过程是允许的或禁止的。一个简单的例子是碰撞的台球，其运动——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，这意味着光的单个粒子，即所谓的光子，具有明确定义的OAM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》（Physical Review Letters）的一项研究中，坦佩雷大学的研究人员及其合作者，现已将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，OAM量子的守恒性是否成立。

一减一等于零

守恒规则规定，例如，当一个OAM为零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，如果发现新生成的一个光子具有一个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利用，但从未在单个光子上进行过测试。

“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。这证实了最基础层面的一个关键守恒定律，它最终基于该过程的对称性，”该研究的主要作者Lea Kopf博士解释道。

在实验室的干草堆中寻找光子针

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被转化为光子对，因此测量单个光子的OAM守恒性就如同俗话所说的在干草堆中找针。

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，使研究人员能够记录足够多的成功转换事件，从而证实了这一基本守恒定律。

除了确认OAM守恒外，该团队还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，而且使我们朝着生成新颖量子态迈出了重要一步，在这种量子态中，光子在所有可能的方式上——即在空间、时间和偏振上——都是纠缠的，”领导进行该实验的实验量子光学小组的Robert Fickler教授补充道。

展望未来，研究人员计划提高其方案的总体效率，并开发更好的策略来测量生成的量子态，以便将来在实验室的干草堆中能更容易地找到这些光子针。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础量子测试以及量子通信和网络方案等量子光子学应用。