展示单个绿色光子分裂为两个红色光子的过程（示意图）。图片来源：芬兰坦佩雷大学
来自芬兰坦佩雷大学及德国、印度的科学家通过实验证实：当单个光子“分裂”为一对光子时，其轨道角动量保持守恒。这项突破性研究首次在量子尺度验证了物理学核心要义之一——守恒定律，为开发应用于计算、通信和传感领域的复杂量子态提供了全新思路。相关成果发表于新一期《物理评论快报》杂志。
守恒定律是自然科学的基石，它界定了物理过程中“可行”与“禁行”的边界。就像台球碰撞时，运动线性动量会在球体间传递，旋转物体则遵循角动量守恒定律。光同样具有角动量特性，特别是与光的空间结构相关的轨道角动量。
在量子世界，每个光子都携带明确的轨道角动量。根据守恒定律，这种特性在光与物质相互作用时必须守恒，即初始轨道角动量为零的光子分裂后，两个新生光子的轨道角动量之和必须归零。这意味着若其中一个光子具有特定轨道角动量，其伴生光子必然呈现相反量值。虽然传统激光实验已多次验证角动量守恒定律，但针对单个光子的验证尚属首次。
研究团队创新性地探究了单个光子裂变为光子对时，轨道角动量守恒是否依然成立。实验最终证实，这一定律在量子极限条件下依然有效。
实验面临一个巨大技术挑战——每十亿个光子中仅有一个会分裂，找到它无异于大海捞针。研究团队凭借超稳定光学装置、极低背景噪声、高效探测系统以及持之以恒的观测，最终捕捉到足以证实光的角动量守恒定律的关键数据。
除验证守恒定律外，研究团队还首次观测到光子对的量子纠缠现象。这表明该技术有望拓展至更复杂量子态的制备，实现光子间的空间、时间、偏振等多维度的全面纠缠。
研究团队强调，这项成果具有理论价值，他们计划提升系统效率，优化测量方案，并探索多光子量子态在基础研究和量子通信网络中的应用前景。（记者刘霞）
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