Физики из Университета Тампере вместе с коллегами из Германии и Индии впервые экспериментально доказали, что угловой момент сохраняется даже при превращении одного фотона в пару.

Это подтверждает фундаментальный закон физики на квантовом уровне и открывает дорогу для создания сложных квантовых состояний, полезных в вычислениях, связи и сенсорике.

Законы сохранения — основа науки: они определяют, какие процессы возможны, а какие нет. Например, при столкновении бильярдных шаров импульс передается от одного к другому.

То же самое работает с вращением — угловым моментом. Даже свет обладает угловым моментом, связанным с его пространственной структурой.

В квантовом мире это означает, что отдельные частицы света — фотоны — имеют четко определенные кванты углового момента, которые должны сохраняться при взаимодействии с материей. В новом исследовании, опубликованном в журнале Physical Review Letters, ученые проверили этот закон в экстремальных условиях — когда один фотон распадается на два.

Правило простое: если исходный фотон имел нулевой угловой момент, то сумма моментов двух новых фотонов тоже должна быть нулевой. То есть если у одного +1, у другого должно быть −1. Формула 1 + (−1) = 0 обязана выполняться. Хотя с лазерами это проверяли много раз, для одиночных фотонов такой эксперимент провели впервые.

Мы показали, что угловой момент сохраняется даже при конверсии одного фотона. Это подтверждает ключевой закон природы на самом фундаментальном уровне, — объясняет Леа Копф, ведущий автор исследования.

Эксперимент был сложным: процесс преобразования фотонов крайне неэффективен. Лишь один из миллиарда фотонов распадается на пару, так что поиск нужных событий напоминал поиск иголки в стоге сена. Ученым потребовалась сверхстабильная оптическая установка, минимум шумов, детекторы с максимальной чувствительностью и много терпения, чтобы набрать достаточное количество данных.

Помимо подтверждения закона сохранения, исследователи заметили признаки квантовой запутанности в парах фотонов. Это значит, что метод можно развивать для создания еще более сложных квантовых состояний.

Наша работа не только фундаментальна, но и приближает нас к генерации новых квантовых состояний, где фотоны запутаны во всех возможных аспектах — в пространстве, времени и поляризации, — добавляет профессор Роберт Фиклер, руководитель группы.

В планах — повысить эффективность метода, улучшить детектирование и использовать полученные состояния для квантовой связи и новых экспериментов.

Этот эксперимент важен не только для фундаментальной науки, но и для прикладных технологий:

• Квантовая связь: если научиться точно контролировать угловой момент фотонов, можно создавать более защищенные каналы передачи данных.
• Квантовые вычисления: запутанные состояния с разными угловыми моментами могут стать новым ресурсом для квантовых алгоритмов.
• Сенсоры: сверхчувствительные измерения на основе таких фотонов помогут в биомедицине и материаловедении.

Главный недостаток — крайне низкая эффективность процесса. Пока что метод требует идеальных условий и огромного времени на сбор данных. Для практического применения нужно как минимум увеличить вероятность конверсии фотонов в сотни раз.

Ранее мы разбирались, сколько еще ждать разработки квантового интернета.