量子尺度上首次验证守恒定律
研究概况
2025年6月24日，科技媒体phys报道，来自芬兰坦佩雷大学及德国、印度的科学家通过实验，首次在量子尺度验证了物理学核心要义之一——守恒定律，相关成果发表于《物理评论快报》杂志。这项突破性研究为开发应用于计算、通信和传感领域的复杂量子态提供了全新思路。
守恒定律相关背景
守恒定律是自然科学的基石，它界定了物理过程中可行与禁行的边界。就像台球碰撞时，运动线性动量会在球体间传递，旋转物体则遵循角动量守恒定律。光同样具有角动量特性，特别是与光的空间结构相关的轨道角动量（OAM）。
实验内容
实验目的
研究团队创新性地探究单个光子裂变为光子对时，轨道角动量守恒是否依然成立。此前，尽管角动量守恒规则已经在激光的多种光学实验中得到验证和利用，但它们从未在单个光子中得到测试。
实验过程及原理
实验表明在量子世界中，单个光子具有明确的角动量量子（OAM），在光与物质的相互作用中需要被守恒。根据守恒定律，在具有零OAM的光子分裂成两个光子后，这两个光子的OAM量子之和必须为零。因此，如果一个新生成的光子具有一个OAM量子，其配对光子必须具有相反的，即负的OAM量子，也就是“1 + (-1) = 0”的公式必须成立。
实验挑战与克服方法
实验面临一个巨大技术挑战，即每十亿个光子中仅有一个会分裂，找到它无异于大海捞针。研究团队凭借超稳定光学装置、极低背景噪声、高效探测系统以及持之以恒的观测，最终捕捉到足以证实光的角动量守恒定律的关键数据。
实验结论及意义
实验结论
研究报告的主要作者Dr. Lea Kopf解释说，实验表明即使过程是由单个光子驱动的，OAM确实守恒，这确认了基于过程对称性的最基本层面的关键守恒定律。除验证守恒定律外，研究团队还首次观测到光子对的量子纠缠现象。
实验意义
理论价值：该实验确认了在最基本层面，基于对称性的守恒定律依然成立，为未来量子技术的发展奠定了理论基础6。
应用前景：这一发现为构建用于计算、通信和传感的复杂量子态提供了新路径。该技术有望拓展至更复杂量子态的制备，实现光子间的空间、时间、偏振等多维度的全面纠缠。研究团队计划提升系统效率，优化测量方案，并探索多光子量子态在基础研究和量子通信网络中的应用前景3
