量子尺度守恆定律獲驗証
為開發復雜量子態提供全新思路
2025年06月30日08:51 | 來源:科技日報
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原標題:量子尺度守恆定律獲驗証
展示單個綠色光子分裂為兩個紅色光子的過程(示意圖)。圖片來源:芬蘭坦佩雷大學
來自芬蘭坦佩雷大學及德國、印度的科學家通過實驗証實: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証了物理學核心要義之一——守恆定律,為開發應用於計算、通信和傳感領域的復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》雜志。
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。就像台球碰撞時,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后,兩個新生光子的軌道角動量之和必須歸零。這意味著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証角動量守恆定律,但針對單個光子的驗証尚屬首次。
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。實驗最終証實,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。研究團隊憑借超穩定光學裝置、極低背景噪聲、高效探測系統以及持之以恆的觀測,最終捕捉到足以証實光的角動量守恆定律的關鍵數據。
除驗証守恆定律外,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制備,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。(記者劉霞)
(責編:郝孟佳、熊旭)
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