据 meiguo.com 于 2025 年 8 月 18 日收到的消息 ‣ 坦佩雷大学研究团队通过高精度实验，首次验证了单个光子分裂为两个光子时，角动量守恒定律依然成立。这项发表在《物理评论快报》上的研究，是量子物理学领域的重要进展，也为开发新型量子技术提供了理论基础。

在传统物理学中，守恒定律是理解自然现象的核心原则。然而，当科学家将研究聚焦到量子世界中的单个光子时，验证这些定律变得极其困难。研究团队面临的挑战是，非线性光学过程的效率极低，每十亿个光子中仅有极少数能成功分裂。

为克服这一难题，研究人员构建了一套超高精度的实验系统，包括稳定的光学装置、低噪声环境、高效率的光子检测设备和长期的数据收集。只有通过大量成功事件的统计分析，才能验证守恒定律。

实验重点观察光子的轨道角动量。与传统物体的角动量不同，光子的轨道角动量与其空间结构密切相关。当一个轨道角动量为零的光子分裂为两个光子时，这两个新光子的轨道角动量之和必须仍为零。研究团队的实验结果证实了这一点。

研究的主要作者莱亚·科普夫博士表示，实验结果在最基础层面上验证了关键的守恒定律，其依据是过程的对称性。

除了验证守恒定律，研究团队还发现分裂后的光子对表现出量子纠缠的迹象。这一现象表明，该技术具备生成更复杂量子态的潜力，这些态可以在空间、时间和偏振等多个维度上实现纠缠。

量子纠缠是量子力学中最神秘且最有用的现象之一。当两个粒子处于纠缠状态时，对其中一个的测量会立即影响另一个的状态，这是量子通信和量子计算的基础。

罗伯特·菲克勒教授指出，这项研究不仅具有基础意义，还为构建多维度纠缠的量子态提供了新路径。

图片来源：AI/ScienceDaily.com

该研究的成功不仅验证了量子世界的物理定律，也推动了量子技术的发展。当前的量子通信系统多依赖光子的偏振或时间特性，而利用轨道角动量可大幅提高信息容量。这种“高维量子编码”技术有望提升量子通信的效率和安全性。

在量子计算领域，能够创建复杂纠缠结构的光子态为开发新型算法提供了可能。这些算法在解决特定问题上可能比传统计算机更强大，尤其在量子模拟和优化问题方面。

尽管取得突破，研究团队仍需提升系统效率。当前十亿分之一的转换效率虽然适用于基础研究，但距离实际应用仍有差距。研究人员正在探索使用新材料、优化光学结构和改进光子操控技术等方法。

此外，团队也在开发更高效的量子态测量策略。精确测量和表征复杂量子态需要先进的量子层析技术和高效的数据处理算法。

未来，研究人员计划利用该技术平台进行更深入的量子基础研究，并开发基于轨道角动量的量子通信协议和量子网络方案。这项研究代表了量子光学实验的重大进步，不仅加深了对量子世界规律的理解，也为未来技术发展奠定了基础。

综合自网络信息