量子尺度守恆定律獲驗證

科技日報訊 （記者劉霞）來自芬蘭坦佩雷大學及德國、印度的科學家通過實驗證實：當單個光子“分裂”為一對光子時，其軌道角動量保持守恆。這項突破性研究首次在量子尺度驗證了物理學核心要義之一——守恆定律，為開發應用於計算、通信和傳感領域的複雜量子態提供了全新思路。相關成果發表於新一期《物理評論快報》雜誌。

守恆定律是自然科學的基石，它界定了物理過程中“可行”與“禁行”的邊界。就像枱球碰撞時，運動線性動量會在球體間傳遞，旋轉物體則遵循角動量守恆定律。光同樣具有角動量特性，特別是與光的空間結構相關的軌道角動量。

在量子世界，每個光子都攜帶明確的軌道角動量。根據守恆定律，這種特性在光與物質相互作用時必須守恆，即初始軌道角動量為零的光子分裂後，兩個新生光子的軌道角動量之和必須歸零。這意味着若其中一個光子具有特定軌道角動量，其伴生光子必然呈現相反量值。雖然傳統激光實驗已多次驗證角動量守恆定律，但針對單個光子的驗證尚屬首次。

研究團隊創新性地探究了單個光子裂變為光子對時，軌道角動量守恆是否依然成立。實驗最終證實，這一定律在量子極限條件下依然有效。

實驗面臨一個巨大技術挑戰——每十億個光子中僅有一個會分裂，找到它無異於大海撈針。研究團隊憑藉超穩定光學裝置、極低背景噪聲、高效探測系統以及持之以恆的觀測，最終捕捉到足以證實光的角動量守恆定律的關鍵數據。

除驗證守恆定律外，研究團隊還首次觀測到光子對的量子糾纏現象。這表明該技術有望拓展至更復雜量子態的製備，實現光子間的空間、時間、偏振等多維度的全面糾纏。

研究團隊強調，這項成果具有理論價值，他們計劃提升系統效率，優化測量方案，並探索多光子量子態在基礎研究和量子通信網絡中的應用前景。