重磅！基础物理里程碑突破！首次验证单光子角动量守恒

近日，物理学的天空被一道来自芬兰的光划破！科学家们首次“亲眼”看到，一个光子在分裂的瞬间，也必须严格遵守宇宙的基本法则——角动量守恒！这项研究发表在2025年5月20日《物理评论快报》上。

这不仅仅是一次实验的成功，更是人类首次在最微观、最基础的量子层面，验证了世界运转的底层代码。

◆ 01 旋转的宇宙，从芭蕾舞者到一束光

很多人都看过花样滑冰：当运动员旋转时，张开双臂会变慢，收回双臂则会猛然加速。

这背后就是宇宙最深刻的法则之一：角动量守恒。简单说，一个孤立系统，只要没有外力矩干扰，它的总角动量就永远不会变。

过去我们以为，这只是宏观世界的规则。但科学家们早就发现，光，这个宇宙中最神秘的信使，居然也会“旋转”。它并非总是笔直前进的“箭”，更像是一条盘旋上升的“龙卷风”，携带着一种叫做轨道角动量（OAM）的妖艳扭劲儿。

更神奇的是，这份扭劲儿是量子化的，只能一份一份地取，就像上台阶，不能停在中间。

◆ 02 世纪之问：单个光子会“守规矩”吗？

长久以来，物理学家们用强大的激光束（包含数万亿个光子）进行实验，一次又一次地证明，当一束光分裂成两束时，其总的轨道角动量是守恒的。

但这留下了一个直击灵魂的终极问题：这个法则是对一大群光子的平均统计，还是对每一个、单独的光子都绝对成立？

这就好比说，我们知道一个班级的平均分是85，究竟是参差不齐平均下来85分，还是每个学生恰好都考了85分？同理，当一个光子分裂时，它是否也必须严格遵守这个“规矩”？此前，无人能够回答。

因为，观测单个光子的分裂，就像在量子宇宙的茫茫大海里，寻找一滴刚刚诞生的水珠。

◆ 03 大海捞针：一场级联魔法

为了找到这滴“水珠”，来自芬兰坦佩雷大学、德国和印度的科学家们设计了一套堪称“魔法”的实验装置。

第一步：创造“孪生光子”。他们用激光轰击第一块特殊晶体，催生出一对“孪生”光子（A和B）。

第二步：发出“预报”。这对孪生子被分开，当A光子被探测器捕捉到的瞬间，就等于向科学家们发出了一个精确的“预报”：它的兄弟B，就在那个位置，那个时刻，它就是我们今天的主角——一个纯正的、单独的泵浦光子！

第三步：见证奇迹。这个被“预报”的B光子，紧接着撞向第二块晶体，瞬间分裂成一对新的光子（C和D）。

第四步：最终审判。科学家们屏息以待，用最精密的仪器测量C和D光子的角动量，看它们的总和，是否等于母光子B的“扭劲儿”。

这个过程的难度超乎想象。实验效率极低，在某种模式下，平均每小时才能捕捉到1.3次成功的事件。整个团队为此进行了数百小时的艰苦测量。

这不再是实验，这是一场科学家与自然底层规律之间的耐心对决！

◆ 04 尘埃落定：物理学的宏伟大厦，基石稳固！

最终，实验数据给出了斩钉截铁的答案：

当作为母光子的B不带轨道角动量（OAM=0）时，分裂出的C和D光子，一个“向左扭”，另一个必然“向右扭”，不多不少，总和永远为0。

当B光子自己带着“扭劲儿”（比如OAM=-1）时，C和D光子的“扭劲儿”加起来，也精确地等于-1。

完美！就像宇宙用最精密的数学写下的一首诗。

这个结果雄辩地证明了：角动量守恒定律，并非宏观世界的统计平均，而是刻在每一个量子粒子基因里的铁律。换句话说，我们终于“看到”了，原来在“量子”班级里，平均85分，就是每个学生都考了85分。

物理学的宏伟殿堂，原来是由每一块都绝对听话的量子积木，分毫不差地搭建而成。

◆ 05 从验证旧地图，到开启新大陆

你可能会问，证实了一个我们“早已知道”的定律，有什么了不起？

了不起之处在于，科学家们不仅验证了旧世界的地图，更借此绘制出了通往量子新大陆的航线。

这次的实验平台，是直接产生“高维量子纠缠”的完美温床。要理解它的颠覆性，我们可以这样来看：

一个标准的量子比特（qubit），就像一枚在空中高速旋转的硬币。在它落地（被测量）之前，你不能说它是正面还是反面，而是两者的叠加态。一旦落地，它也只会出现两种基本结果：正面（代表0）或反面（代表1）。

而利用光子轨道角动量（OAM）构建的高维量子比特（qudit），将彻底打破这个限制。它不再是只有两个选项的硬币，而更像一个拥有多个面的精密骰子。它的状态可以是0、1、2、-1、-2等等，可能性大大增加。这就好比从只有“是/否”两种答案的判断题，升级到了有A、B、C、D、E多个选项的选择题。因此，一个高维量子比特就能携带比标准量子比特多得多得多的信息！

更进一步说，这次的实验平台还为创造更复杂的“超纠缠态”（hyper-entangled states）铺平了道路，也就是在轨道角动量（空间）、偏振、时间等多个维度上同时将光子纠缠起来，信息承载能力将呈指数级爆炸式增长 。

这意味着什么？

更强大的量子计算：指数级提升算力，解决今天无法想象的难题。

更安全的量子通信：构建无法被窃听和破解的绝对安全网络。

更精确的量子传感：达到前所未有的测量精度。

这项看似基础的研究，为我们打开了一扇通往未来量子技术应用的大门。它证明，我们对宇宙的理解，又向最深处迈进了坚实的一步。

为让朋友们更好地理解这项研究，我用AI对论文进行了解读并附后，感兴趣的可以参考。

附：【论文AI解读】

这项于2025年5月发表在《物理评论快报》上的研究，首次在实验上证实了角动量守恒定律在单个光子层面依然成立，这是对量子物理学基本法则的一次深刻验证。

简单来说，这项研究的核心结论是：即使只有一个光子分裂成两个，其携带的角动量（可以理解为光的“扭转”或“旋转”状态）也严格遵守守恒定律。

这就好像一个静止的陀螺（总角动量为0）分裂成两个小陀螺，那么这两个小陀螺必然会以大小相等、方向相反的方式旋转，以确保总角动量仍然为0。

研究详解

背景：光的“轨道角动量”

我们通常认为光是直线传播的，但光也可以像龙卷风一样“扭转”着前进。这种与光波空间结构相关的角动量被称为轨道角动量 (Orbital Angular Momentum, OAM)。

量子化特性：在量子世界里，一个光子携带的OAM是量子化的，即它只能取整数倍的特定单位，这个整数被称为拓扑荷（topological charge, l）。

守恒定律：物理学的对称性原理决定了在光与物质相互作用中，OAM应该是守恒的。例如，在一个称为自发参量下转换 (Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC)的过程中，一个高能量的“泵浦”光子穿过特殊晶体，会分裂成两个低能量的光子（称为信号光子和闲置光子）。根据守恒定律，分裂后两个光子的OAM之和，必须等于分裂前那个泵浦光子的OAM。

核心问题：单个光子也遵守规则吗？

之前的实验都是用强大的激光束（包含数万亿个光子）来驱动SPDC过程，并验证了OAM在平均意义上是守恒的。然而，这留下了一个根本性的问题：这个守恒定律是否对每一个独立的量子事件——即单个光子的分裂——都成立？此前，这一点从未被实验直接证实过。

实验方法：精巧的“级联”设计

为了解答这个问题，研究团队设计了一个极其精密的“级联SPDC”实验装置。

第一步：制造单光子泵浦源。他们首先用一束驱动激光照射第一个非线性晶体 (C1)，产生光子对（A和B）。

第二步：预报和泵浦。光子对被分开，其中一个光子A（波长1588 nm）被探测器接收，它的成功探测就如同一个“预报信号”，精确地宣告了它的孪生兄弟光子B（波长783 nm）的存在和位置。这个被“预报”的光子B就充当了后续实验的单光子级别泵浦源。

第三步：核心分裂过程。这个单独的光子B被引导射入第二个非线性晶体 (C2)，在这里发生第二次SPDC过程，分裂成一对新的光子（信号光子和闲置光子）。

第四步：测量OAM。最后，研究人员精确测量这对新生成光子的OAM值，验证它们的总和是否等于泵浦光子B的OAM值。

这个过程的挑战极大，因为单光子驱动的SPDC效率极低，成功事例非常罕见，如同“大海捞针”。例如，在一个设置中，每小时只能探测到约1.3个符合条件的 heralded 光子对。

主要发现：守恒定律得到证实

实验结果有力地证实了OAM守恒定律在单光子层面依然有效。

当泵浦光子OAM为0时 (lp=0)，产生的光子对的OAM值总是大小相等、符号相反（例如，一个为+1，另一个为-1），确保总和为0。

当泵浦光子携带OAM时（例如lp=−1或lp=2），新生成的光子对的OAM值之和也精确地等于泵浦光子的OAM值。

这些结果与使用传统强激光的测量结果高度一致，从而在最基本的量子层面上验证了这一定律。

科学意义与未来展望

基础物理学的里程碑：这项研究填补了我们对基本物理定律认识的一块空白，证明了基于宏观对称性的守恒定律在微观的单个量子事件中同样适用。

推动量子技术发展：该实验平台不仅验证了物理定律，更重要的是，它为直接产生多光子高维纠缠态开辟了道路。纠缠是量子计算和量子通信的核心资源。通过操控光子的OAM（空间维度），并结合其偏振、时间等其他自由度，未来有望创造出前所未有的复杂量子态，用于构建更强大的量子计算机和更安全的量子通信网络。

参考文献：

L. Kopf, R. Barros, S. Prabhakar, E. Giese, R. Fickler. Conservation of Angular Momentum on a Single-Photon Level. Physical Review Letters, 2025; 134 (20) DOI: 10.1103/PhysRevLett.134.203601 13