Учёные из Университета Тампере и их коллеги из Германии и Индии экспериментально подтвердили, что угловой момент сохраняется при преобразовании одного фотона в пару. Это подтверждает ключевой принцип физики на квантовом уровне.
Законы сохранения — основа нашего понимания природы
Законы сохранения лежат в основе нашего понимания природных процессов, определяя, какие процессы возможны, а какие — нет. Простой пример — столкновение бильярдных шаров, где движение (и вместе с ним линейный импульс) передаётся от одного шара к другому. Аналогичное правило сохранения существует и для вращающихся объектов, которые имеют угловой момент. Интересно, что свет также может иметь угловой момент, например, орбитальный угловой момент (OAM), который связан с пространственной структурой света.
Квантовые частицы и законы сохранения
В квантовой области это означает, что отдельные частицы света, так называемые фотоны, имеют чётко определённые кванты OAM, которые должны сохраняться при взаимодействии света с веществом. В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, учёные из Университета Тампере и их коллеги провели проверку этих законов сохранения до абсолютного квантового предела. Они исследуют, сохраняется ли количество OAM при расщеплении одного фотона на пару.
Правило сохранения гласит, что, например, когда фотон с нулевым OAM расщепляется на два фотона, количество OAM обоих фотонов должно в сумме равняться нулю. Следовательно, если один из вновь созданных фотонов имеет один квант OAM, его партнёр-фотон должен иметь противоположный, то есть отрицательный квант OAM. Или, другими словами, должна выполняться простая формула 1 + (−1) = 0.
Хотя эти правила сохранения были проверены и использованы в многочисленных экспериментах с оптикой и лазером, они никогда не тестировались для одиночного фотона.
«Наши эксперименты показывают, что OAM действительно сохраняется, даже когда процесс инициируется одиночным фотоном. Это подтверждает ключевой закон сохранения на самом фундаментальном уровне, который в конечном итоге основан на симметрии процесса», — объясняет доктор Леа Копф, ведущий автор исследования.
Эксперименты и результаты
Эксперименты команды основаны на точных измерениях, поскольку требуемые нелинейные оптические процессы очень неэффективны. Только каждый миллиардный фотон преобразуется в пару фотонов, так что измерение сохранения OAM для одиночных фотонов напоминает поиск иголки в стоге сена.
Чрезвычайно стабильная оптическая установка, низкий уровень фонового шума, схема обнаружения с максимально возможной эффективностью и большая экспериментальная выносливость позволили исследователям зафиксировать достаточно успешных преобразований, чтобы подтвердить фундаментальный закон сохранения.
Помимо подтверждения сохранения OAM, команда наблюдала первые признаки квантовой запутанности в сгенерированных парах фотонов, что предполагает возможность расширения метода для создания более сложных фотонных квантовых состояний.
«Эта работа не только имеет фундаментальное значение, но и делает нас на значительный шаг ближе к созданию новых квантовых состояний, где фотоны запутаны всеми возможными способами, то есть в пространстве, времени и поляризации», — добавляет профессор Роберт Фиклер, возглавляющий группу экспериментальной квантовой оптики, где проводился эксперимент.
В будущем исследователи планируют повысить общую эффективность своей схемы и разработать более совершенные стратегии для измерения сгенерированного квантового состояния, чтобы в будущем эти «фотонные иголки» было легче находить в лабораторном «стоге сена». Более того, исследователи стремятся использовать сгенерированные многофотонные квантовые состояния для новых фундаментальных квантовых тестов и приложений квантовой фотоники, таких как квантовая связь и сетевые схемы.
Предоставлено Университетом Тампере.