Что происходит, когда фотон делится пополам?
Физики из Университета Тампере, сотрудничая с коллегами из Германии и Индии, впервые продемонстрировали, что даже один фотон подчиняется самому строгому закону природы: сохранению углового момента. Они заявляют, что угловой момент остается неизменным, когда один фотон расщепляется на два. Достигнутый лишь один раз на миллиард попыток, этот успех, подобен поиску иглы в стоге сена, показывает нам путь к усовершенствованным квантовым состояниям для использования в вычислительной технике, коммуникациях, сенсорах и квантовых технологиях, от запутанных состояний к безопасной связи, пишет 24 Канал со ссылкой на Physical Review Letters.
Смотрите также Стартап утверждает, что превратил ртуть в золото с помощью термоядерного синтеза
Законы сохранения являются центральными в науке, поскольку они определяют, какие процессы возможны, а какие нет. Один из примеров можно увидеть в бильярде, где импульс одного шара передается другому во время столкновения. Подобный принцип применяется к объектам, вращающимся, неся угловой импульс. Свет также может иметь угловой импульс, а именно орбитальный угловой импульс (OAM), который связан с пространственной формой светового луча.
На квантовом уровне это означает, что отдельные фотоны несут определенное количество OAM, которое должно сохраняться во время взаимодействия с материей. В исследовании команда ученых проверяла, действует ли это правило сохранения, когда одиночный фотон разделяется на пару. Их работа расширила границы тестирования сохранения до наименьшего возможного масштаба.
Согласно правилу, если фотон без OAM распадается на два, значения углового момента полученных фотонов должны взаимно компенсировать друг друга. Например, если один фотон выходит с единицей OAM, второй должен иметь значение минус один. Проще говоря, уравнение 1 + (-1) = 0 всегда должно выполняться. Хотя подобные правила много раз проверялись в оптических экспериментах с использованием лазеров, это никогда ранее не подтверждалось для отдельного фотона.
Наши эксперименты показывают, что OAM действительно сохраняется даже тогда, когда процесс запускает один фотон. Это подтверждает ключевой закон сохранения на самом фундаментальном уровне, который в итоге базируется на симметрии процесса,
– объясняет доктор Леа Копф, главный автор исследования.
Эксперименты команды базируются на точных измерениях, поскольку необходимые нелинейные оптические процессы очень неэффективны. Только каждый миллиардный фотон превращается в пару фотонов, поэтому измерение сохранения OAM для отдельных фотонов напоминает известное сравнение поиска иглы в стоге сена.
Чрезвычайно стабильная оптическая установка, низкий уровень фонового шума, схема обнаружения с максимально возможной эффективностью и большая экспериментальная выносливость позволили исследователям зафиксировать достаточное количество успешных преобразований, чтобы подтвердить фундаментальный закон сохранения.
Кроме подтверждения сохранения OAM, команда наблюдала первые признаки квантового запутывания в сгенерированных парах фотонов, что свидетельствует о возможности расширения этой техники для создания сложных квантовых состояний фотонов.
В перспективе исследователи планируют повысить общую эффективность своей схемы и разработать лучшие стратегии измерения.