Фундаментальный закон сохранения энергии подтвержден на квантовом уровне

Энергия

Редакционная группа сайта «Технологические инновации» - 07.07.2025

Схематическое изображение одиночного фотона с нулевым угловым моментом (зеленый), расщепляющегося на два фотона (красные) с нулевым или противоположным угловым моментом (обведены цветовым градиентом), которые в сумме дают ноль, подтверждая фундаментальный закон сохранения углового момента. [Изображение: Роберт Фиклер/Университет Тампере]

Орбитальный угловой момент света

Группа физиков и инженеров из Германии, Финляндии и Индии экспериментально подтвердила, что угловой момент света сохраняется при разделении одного фотона на пару, впервые подтвердив фундаментальный принцип физики на квантовом уровне — масштабе, где преобладают законы квантовой механики.

Эта экспериментальная демонстрация открывает новые возможности для создания сложных квантовых состояний, полезных в вычислениях, коммуникации и зондировании.

Законы сохранения энергии лежат в основе нашего понимания естествознания, определяя, какие процессы «разрешены или запрещены». Простым и наглядным примером является столкновение двух бильярдных шаров, при котором движение — а вместе с ним и их линейный импульс — передается от одного шара другому.

Но есть похожее правило сохранения для вращающихся объектов, которые имеют угловой момент. Интересно, что свет также может иметь угловой момент, например, орбитальный угловой момент (ОУМ), который связан с пространственной структурой света и участвует во многих недавних достижениях в области фотоники , таких как скручивание света , связывание света в узлы , придание свету формы пончика — короче говоря, скульптурирование света .

Когда мы спускаемся по шкале в квантовую сферу, эти законы подразумевают, что отдельные частицы света, называемые фотонами, имеют четко определенные величины орбитального углового момента (ОУМ), которые должны сохраняться, когда эти фотоны взаимодействуют с электронами, атомами и другими частицами. Теперь команда провела проверку этих законов сохранения до абсолютного квантового предела, исследуя, выполняется ли сохранение квантов ОУМ, когда один фотон разделяется на пару фотонов.

Один минус один равно нулю

Правило сохранения, например, гласит, что когда фотон с нулевым MAO разделяется на два фотона, кванты MAO обоих фотонов должны в сумме давать ноль. Поэтому, если один из вновь созданных фотонов имеет кванты MAO, его фотон-партнер должен иметь противоположные, то есть отрицательные кванты MAO. Или, другими словами, должна выполняться простая формула 1 + (-1) = 0.

Хотя эти правила сохранения были проверены и использованы в бесчисленных экспериментах с лазерной оптикой, они никогда не были проверены для одного фотона. И на то есть веская причина: требуемые нелинейные оптические процессы очень неэффективны, поскольку только одна миллиардная часть фотонов преобразуется в пару фотонов.

Команда преодолела эту трудность с помощью чрезвычайно стабильной оптической установки, низкого фонового шума, схемы обнаружения с максимально возможной эффективностью и большого терпения. В конце концов, им удалось записать достаточно конверсий (значительное количество расщеплений фотонов), чтобы подтвердить фундаментальный закон сохранения.

«Наши эксперименты показывают, что МАО действительно сохраняется, даже когда процесс управляется одним фотоном. Это подтверждает фундаментальный закон сохранения на самом фундаментальном уровне, который в конечном итоге опирается на симметрию процесса», — сказала исследователь Леа Копф.

В дополнение к подтверждению сохранения орбитального углового момента для одного фотона, команда наблюдала первые признаки квантовой запутанности в сгенерированных парах фотонов, что указывает на то, что метод может быть расширен для создания более сложных фотонных квантовых состояний. «Эта работа не только имеет фундаментальное значение, но и делает для нас значительный шаг к созданию новых квантовых состояний, в которых фотоны запутаны всеми возможными способами, то есть в пространстве, времени и поляризации», — сказал профессор Роберт Фиклер.

Другие новости о:

Больше тем