量子尺度守恒定律獲驗(yàn)證

展示單個(gè)綠色光子分裂為兩個(gè)紅色光子的過(guò)程（示意圖）。圖片來(lái)源：芬蘭坦佩雷大學(xué)

來(lái)自芬蘭坦佩雷大學(xué)及德國(guó)、印度的科學(xué)家通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)：當(dāng)單個(gè)光子“分裂”為一對(duì)光子時(shí)，其軌道角動(dòng)量保持守恒。這項(xiàng)突破性研究首次在量子尺度驗(yàn)證了物理學(xué)核心要義之一——守恒定律，為開發(fā)應(yīng)用于計(jì)算、通信和傳感領(lǐng)域的復(fù)雜量子態(tài)提供了全新思路。相關(guān)成果發(fā)表于新一期《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

守恒定律是自然科學(xué)的基石，它界定了物理過(guò)程中“可行”與“禁行”的邊界。就像臺(tái)球碰撞時(shí)，運(yùn)動(dòng)線性動(dòng)量會(huì)在球體間傳遞，旋轉(zhuǎn)物體則遵循角動(dòng)量守恒定律。光同樣具有角動(dòng)量特性，特別是與光的空間結(jié)構(gòu)相關(guān)的軌道角動(dòng)量。

在量子世界，每個(gè)光子都攜帶明確的軌道角動(dòng)量。根據(jù)守恒定律，這種特性在光與物質(zhì)相互作用時(shí)必須守恒，即初始軌道角動(dòng)量為零的光子分裂后，兩個(gè)新生光子的軌道角動(dòng)量之和必須歸零。這意味著若其中一個(gè)光子具有特定軌道角動(dòng)量，其伴生光子必然呈現(xiàn)相反量值。雖然傳統(tǒng)激光實(shí)驗(yàn)已多次驗(yàn)證角動(dòng)量守恒定律，但針對(duì)單個(gè)光子的驗(yàn)證尚屬首次。

研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地探究了單個(gè)光子裂變?yōu)楣庾訉?duì)時(shí)，軌道角動(dòng)量守恒是否依然成立。實(shí)驗(yàn)最終證實(shí)，這一定律在量子極限條件下依然有效。

實(shí)驗(yàn)面臨一個(gè)巨大技術(shù)挑戰(zhàn)——每十億個(gè)光子中僅有一個(gè)會(huì)分裂，找到它無(wú)異于大海撈針。研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借超穩(wěn)定光學(xué)裝置、極低背景噪聲、高效探測(cè)系統(tǒng)以及持之以恒的觀測(cè)，最終捕捉到足以證實(shí)光的角動(dòng)量守恒定律的關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

除驗(yàn)證守恒定律外，研究團(tuán)隊(duì)還首次觀測(cè)到光子對(duì)的量子糾纏現(xiàn)象。這表明該技術(shù)有望拓展至更復(fù)雜量子態(tài)的制備，實(shí)現(xiàn)光子間的空間、時(shí)間、偏振等多維度的全面糾纏。

研究團(tuán)隊(duì)強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)成果具有理論價(jià)值，他們計(jì)劃提升系統(tǒng)效率，優(yōu)化測(cè)量方案，并探索多光子量子態(tài)在基礎(chǔ)研究和量子通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景。（記者劉霞）

(責(zé)編：郝孟佳、熊旭)