Що відбувається, коли фотон ділиться навпіл?
Фізики з Університету Тампере, співпрацюючи з колегами з Німеччини та Індії, вперше продемонстрували, що навіть один фотон підпорядковується найсуворішому законів природи: збереженню кутового моменту. Вони заявляють, що кутовий момент лишається незмінним, коли один фотон розщеплюється на два. Досягнутий лише один раз на мільярд спроб, цей успіх, подібний до пошуку голки в копиці сіна, показує нам шлях до вдосконалених квантових станів для використання в обчислювальній техніці, комунікаціях, сенсорах і квантових технологіях, від заплутаних станів до безпечного зв'язку, пише 24 Канал з посиланням на Physical Review Letters.
Дивіться також Стартап стверджує, що перетворив ртуть на золото за допомогою термоядерного синтезу
Закони збереження є центральними в науці, оскільки вони визначають, які процеси можливі, а які ні. Один з прикладів можна побачити в більярді, де імпульс однієї кулі передається іншій під час зіткнення. Подібний принцип застосовується до об'єктів, що обертаються, несучи кутовий імпульс. Світло також може мати кутовий імпульс, а саме орбітальний кутовий імпульс (OAM), який пов'язаний з просторовою формою світлового променя.
На квантовому рівні це означає, що окремі фотони несуть певну кількість OAM, яка повинна зберігатися під час взаємодії з матерією. У дослідженні команда вчених перевіряла, чи діє це правило збереження, коли одиночний фотон розділяється на пару. Їхня робота розширила межі тестування збереження до найменшого можливого масштабу.
Згідно з правилом, якщо фотон без OAM розпадається на два, значення кутового моменту отриманих фотонів повинні взаємно компенсувати один одного. Наприклад, якщо один фотон виходить з одиницею OAM, другий повинен мати значення мінус один. Простіше кажучи, рівняння 1 + (-1) = 0 завжди має виконуватися. Хоча подібні правила багато разів перевірялися в оптичних експериментах з використанням лазерів, це ніколи раніше не підтверджувалося для окремого фотона.
Наші експерименти показують, що OAM дійсно зберігається навіть тоді, коли процес запускає один фотон. Це підтверджує ключовий закон збереження на найфундаментальнішому рівні, який у підсумку базується на симетрії процесу,
– пояснює докторка Леа Копф, головна авторка дослідження.
Експерименти команди базуються на точних вимірюваннях, оскільки необхідні нелінійні оптичні процеси є дуже неефективними. Лише кожен мільярдний фотон перетворюється на пару фотонів, тому вимірювання збереження OAM для окремих фотонів нагадує відоме порівняння пошуку голки в копиці сіна.
Надзвичайно стабільна оптична установка, низький рівень фонового шуму, схема виявлення з максимально можливою ефективністю та велика експериментальна витривалість дозволили дослідникам зафіксувати достатню кількість успішних перетворень, щоб підтвердити фундаментальний закон збереження.
Окрім підтвердження збереження OAM, команда спостерігала перші ознаки квантового заплутування у згенерованих парах фотонів, що свідчить про можливість розширення цієї техніки для створення складних квантових станів фотонів.
У перспективі дослідники планують підвищити загальну ефективність своєї схеми та розробити кращі стратегії вимірювання.