Ученые впервые подтвердили фундаментальный квантовый закон

Физики подтвердили, что даже одиночный фотон подчиняется закону сохранения момента импульса при расщеплении. Это первый подобный эксперимент в квантовой физике, открывающий путь к созданию новых квантовых технологий. Фото: AI/ScienceDaily.com

Исследователи из Университета Тампере совместно с коллегами из Германии и Индии впервые экспериментально подтвердили, что момент импульса сохраняется при преобразовании одного фотона в пару. Это открытие подтверждает ключевой принцип физики на квантовом уровне и открывает новые возможности для создания сложных квантовых состояний, полезных в вычислениях, коммуникациях и сенсорике.

Законы сохранения лежат в основе естественнонаучного понимания мира, определяя, какие процессы разрешены, а какие запрещены. Простой пример — столкновение бильярдных шаров, где движение (а вместе с ним и линейный импульс) передается от одного шара к другому. Аналогичное правило сохранения существует и для вращающихся объектов, обладающих моментом импульса. Интересно, что свет также может обладать моментом импульса, например, орбитальным угловым моментом (OAM), связанным с пространственной структурой света.

В квантовой сфере это означает, что отдельные частицы света — фотоны — имеют четко определенные кванты OAM, которые должны сохраняться при взаимодействии света с веществом. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые проверили эти законы сохранения на предельно малом квантовом уровне, исследуя, сохраняется ли OAM при расщеплении одного фотона на пару.

Один минус один равно нулю

Закон сохранения требует, чтобы при расщеплении фотона с нулевым OAM на два фотона сумма их квантов OAM также равнялась нулю. То есть если у одного из новых фотонов OAM равен +1, то у второго он должен быть −1. Иными словами, должно выполняться простое равенство: 1 + (−1) = 0. Хотя эти законы уже проверялись в многочисленных оптических экспериментах с лазерами, ранее их никогда не тестировали на уровне одиночного фотона.

«Наши эксперименты показывают, что OAM действительно сохраняется даже в процессах, вызванных одним фотоном. Это подтверждает ключевой закон сохранения на самом фундаментальном уровне, который в конечном счете основан на симметрии процесса», — объясняет доктор Леа Копф, ведущий автор исследования.

Поиск фотонной иголки в лабораторном стоге сена

Эксперименты команды требовали исключительно точных измерений, поскольку необходимые нелинейные оптические процессы крайне неэффективны. Лишь один из миллиарда фотонов превращается в пару, поэтому проверка сохранения OAM для одиночных фотонов напоминала поиск иголки в стоге сена.

Благодаря стабильной оптической установке, низкому уровню шума, максимально эффективной схеме детектирования и упорству исследователям удалось зафиксировать достаточно успешных преобразований, чтобы подтвердить фундаментальный закон сохранения.

Помимо подтверждения сохранения OAM, ученые обнаружили первые признаки квантовой запутанности в полученных фотонных парах, что указывает на возможность создания более сложных квантовых состояний.

«Эта работа имеет не только фундаментальное значение, но и приближает нас на шаг к генерации новых квантовых состояний, где фотоны запутаны всеми возможными способами — в пространстве, времени и поляризации», — добавляет профессор Роберт Фиклер, руководитель группы экспериментальной квантовой оптики, где проводился эксперимент.

В дальнейшем исследователи планируют повысить эффективность метода и разработать более совершенные стратегии измерения квантовых состояний, чтобы упростить поиск «фотонных иголок» в лабораторных условиях. Кроме того, они намерены использовать полученные многоквантовые состояния для новых фундаментальных тестов и приложений в квантовой фотонике, таких как квантовая коммуникация и сети.

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Тампере.

L. Kopf, R. Barros, S. Prabhakar, E. Giese, R. Fickler. Conservation of Angular Momentum on a Single-Photon Level. Physical Review Letters, 2025; 134 (20) DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.203601