Тем временем, физики доказали, что даже одиночный фотон подчиняется закону сохранения момента импульса при расщеплении. Этот эксперимент стал первым в своем роде и открывает новые перспективы для квантовых технологий.
Ученые из Университета Тампере вместе с коллегами из Германии и Индии провели эксперимент и доказали, что когда один фотон превращается в два, его момент импульса сохраняется. Это важное открытие в физике на квантовом уровне, которое может привести к созданию сложных квантовых систем для вычислений, связи и сенсоров.
Законы сохранения - это базовые принципы, которые помогают нам понять, что можно, а что нельзя в нашем мире. Например, когда бильярдные шары сталкиваются, движение переходит от одного к другому - это сохранение линейного импульса. Для вращающихся объектов есть аналогичный принцип - сохранение момента импульса.
Свет тоже может иметь момент импульса, который называется орбитальным угловым моментом (OAM). Это связано с тем, как свет распределен в пространстве. В квантовом мире фотоны, частицы света, имеют определенные значения OAM, и этот момент должен сохраняться, когда свет взаимодействует с материей.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые проверили, сохраняется ли этот закон на самом маленьком квантовом уровне. Они посмотрели, что происходит с OAM, когда один фотон разделяется на два.
Закон сохранения говорит, что если фотон с нулевым OAM разделяется на два, то сумма их OAM должна быть нулевой. То есть, если у одного фотона OAM +1, то у другого должен быть −1. Получается простое равенство: 1 + (−1) = 0.
Хотя подобные законы уже проверяли в экспериментах с лазерами, раньше их никогда не проверяли 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 основан на симметрии процесса», — объясняет доктор Леа Копф, ведущий автор исследования.
Эксперименты требовали точных измерений, поскольку необходимые нелинейные оптические процессы крайне неэффективны. Лишь один из миллиарда фотонов превращается в пару, поэтому проверка сохранения OAM для одиночных фотонов была сложной задачей. Благодаря стабильной оптической установке, низкому уровню шума и эффективной схеме детектирования, исследователям удалось зафиксировать достаточно успешных преобразований, чтобы подтвердить закон сохранения.
Помимо подтверждения сохранения OAM, ученые обнаружили первые признаки квантовой запутанности в полученных фотонных парах. Это указывает на возможность создания более сложных квантовых состояний.
«Эта работа имеет не только фундаментальное значение, но и приближает нас 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.
В будущем исследователи планируют повысить эффективность метода и разработать более совершенные стратегии измерения квантовых состояний. Кроме того, они намерены использовать полученные состояния для новых фундаментальных тестов и приложений в квантовой фотонике, таких как квантовая коммуникация и сети.