Учёные из Университета Тампере и их коллеги из Германии и Индии экспериментально подтвердили сохранение углового момента при преобразовании одиночного фотона в пару — впервые подтвердив ключевой принцип физики на квантовом уровне.
Законы сохранения — основа нашего понимания природы, поскольку они определяют, какие процессы возможны, а какие — нет. Простой пример — столкновение бильярдных шаров, где движение (а вместе с ним и 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 (OAM), который связан с пространственной структурой света.
В квантовой сфере 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 довели проверку этих законов сохранения до абсолютного квантового предела. Они исследуют, сохраняется ли количество квантов OAM при расщеплении одиночного фотона на пару фотонов.
Правило сохранения гласит, например, что когда фотон с нулевым OAM расщепляется на два фотона, кванты OAM обоих фотонов должны в сумме давать ноль. Следовательно, если у одного из вновь образованных фотонов обнаружено наличие одного кванта OAM, у его партнёра должен быть 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 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.
Исключительно стабильная оптическая установка, низкий фоновый шум, 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 генерируемых парах фотонов, что предполагает возможность расширения метода для создания более сложных квантовых состояний фотонов.
«Эта работа не только имеет фундаментальное значение, но и делает нас на значительный шаг ближе к созданию новых квантовых состояний, в которых 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 измерения генерируемого квантового состояния, чтобы в будущем эти «квантовые иголки» было легче находить в «лабораторном стоге сена». Кроме того, исследователи стремятся использовать генерируемые многофотонные квантовые состояния для новых фундаментальных квантовых тестов и приложений квантовой фотоники, таких как квантовая связь и сетевые схемы.
Предоставлено Университетом Тампере.