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(xué)

來自芬蘭坦佩雷大學(xué)及德國、印度的科學(xué)家通過實驗証實：當(dāng)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(xué)核心要義之一——守恆定律，為開發(fā)應(yīng)用於計算、通信和傳感領(lǐng)域的復(fù)雜量子態(tài)提供了全新思路。相關(guān)成果發(fā)表於新一期《物理評論快報》雜志。

守恆定律是自然科學(xué)的基石，它界定了物理過程中“可行”與“禁行”的邊界。就像臺球碰撞時，運動線性動量會在球體間傳遞，旋轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)相關(guān)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(jù)守恆定律，這種特性在光與物質(zhì)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(xiàn)相反量值。雖然傳統(tǒng)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(tuán)隊創(chuàng)新性地探究了單個光子裂變?yōu)楣庾訉r，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(shù)挑戰(zhàn)——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(tuán)隊?wèi){借超穩(wěn)定光學(xué)裝置、極低背景噪聲、高效探測系統(tǒng)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(guān)鍵數(shù)據(jù)。

除驗証守恆定律外，研究團(tuán)隊還首次觀測到光子對的量子糾纏現(xiàn)象。這表明該技術(shù)有望拓展至更復(fù)雜量子態(tài)的制備，實現(xiàn)光子間的空間、時間、偏振等多維度的全面糾纏。

研究團(tuán)隊強(qiáng)調(diào)，這項成果具有理論價值，他們計劃提升系統(tǒng)效率，優(yōu)化測量方案，並探索多光子量子態(tài)在基礎(chǔ)研究和量子通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用前景。（記者劉霞）

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