Физики впервые доказали фундаментальный закон сохранения на уровне одного фотона

Ученые из Университета Тампере и их коллеги впервые в истории экспериментально подтвердили, что один из ключевых законов физики — закон сохранения углового момента — работает даже на самом фундаментальном уровне, когда одиночный фотон распадается на пару. Это достижение открывает новые горизонты для создания новых вычислительных устройств, сенсоров и технологий связи.

Законы сохранения лежат в основе понимания мироздания человеком, определяя, какие процессы возможны, а какие запрещены. Угловой момент, или момент импульса, связан с вращением. Свет также может обладать угловым моментом, который определяется его пространственной структурой. В квантовом мире это означает, что отдельные частицы света, фотоны, несут определенные порции — кванты — углового момента.

Суть эксперимента заключалась в проверке этого закона в предельном квантовом случае. Правило сохранения гласит, что если фотон с нулевым угловым моментом распадается на два новых фотона, их суммарный угловой момент также должен быть равен нулю. То есть, если один из дочерних фотонов имеет момент +1, то второй обязательно должен иметь -1. Эта простая формула 1 + (-1) = 0 теперь подтверждена для одиночной частицы.

Проведение такого эксперимента было чрезвычайно сложной задачей. Процесс преобразования одного фотона в пару крайне неэффективен: лишь один из миллиарда фотонов подвергается такому превращению. Ученые сравнили свою задачу с поиском «иголки в стоге сена». Для успеха потребовались сверхстабильная оптическая установка, минимальный уровень фонового шума и высокоэффективная система обнаружения.

По словам ведущего автора исследования, доктора Леа Копф, эксперименты показали, что угловой момент действительно сохраняется, даже когда процесс инициируется одним-единственным фотоном. Это подтверждает фундаментальный закон сохранения, основанный на симметрии физических процессов, на самом глубоком уровне.

Помимо основного открытия, команда также зафиксировала первые признаки квантовой запутанности в сгенерированных парах фотонов. Это говорит о том, что данную технику можно будет использовать для создания еще более сложных квантовых состояний, где фотоны «запутаны» по всем возможным параметрам — в пространстве, времени и поляризации.

Квантовое сознание: правда ли, что человеческий мозг — мощнейший квантовый компьютер