重磅！基礎物理里程碑突破！首次驗證單光子角動量守恆
近日，物理學的天空被一道來自芬蘭的光劃破！科學家們首次“親眼”看到，一個光子在分裂的瞬間，也必須嚴格遵守宇宙的基本法則——角動量守恆！這項研究發表在2025年5月20日《物理評論快報》上。
這不僅僅是一次實驗的成功，更是人類首次在最微觀、最基礎的量子層面，驗證了世界運轉的底層代碼。
◆ 01 旋轉的宇宙，從芭蕾舞者到一束光
很多人都看過花樣滑冰：當運動員旋轉時，張開雙臂會變慢，收回雙臂則會猛然加速。
這背後就是宇宙最深刻的法則之一：角動量守恆。簡單說，一個孤立系統，只要沒有外力矩干擾，它的總角動量就永遠不會變。
過去我們以爲，這只是宏觀世界的規則。但科學家們早就發現，光，這個宇宙中最神祕的信使，居然也會“旋轉”。它並非總是筆直前進的“箭”，更像是一條盤旋上升的“龍捲風”，攜帶着一種叫做軌道角動量（OAM）的妖豔扭勁兒。
更神奇的是，這份扭勁兒是量子化的，只能一份一份地取，就像上臺階，不能停在中間。
◆ 02 世紀之問：單個光子會“守規矩”嗎？
長久以來，物理學家們用強大的激光束（包含數萬億個光子）進行實驗，一次又一次地證明，當一束光分裂成兩束時，其總的軌道角動量是守恆的。
但這留下了一個直擊靈魂的終極問題：這個法則是對一大羣光子的平均統計，還是對每一個、單獨的光子都絕對成立？
這就好比說，我們知道一個班級的平均分是85，究竟是參差不齊平均下來85分，還是每個學生恰好都考了85分？同理，當一個光子分裂時，它是否也必須嚴格遵守這個“規矩”？此前，無人能夠回答。
因爲，觀測單個光子的分裂，就像在量子宇宙的茫茫大海里，尋找一滴剛剛誕生的水珠。
◆ 03 大海撈針：一場級聯魔法
爲了找到這滴“水珠”，來自芬蘭坦佩雷大學、德國和印度的科學家們設計了一套堪稱“魔法”的實驗裝置。
第一步：創造“孿生光子”。他們用激光轟擊第一塊特殊晶體，催生出一對“孿生”光子（A和B）。
第二步：發出“預報”。這對孿生子被分開，當A光子被探測器捕捉到的瞬間，就等於向科學家們發出了一個精確的“預報”：它的兄弟B，就在那個位置，那個時刻，它就是我們今天的主角——一個純正的、單獨的泵浦光子！
第三步：見證奇蹟。這個被“預報”的B光子，緊接着撞向第二塊晶體，瞬間分裂成一對新的光子（C和D）。
第四步：最終審判。科學家們屏息以待，用最精密的儀器測量C和D光子的角動量，看它們的總和，是否等於母光子B的“扭勁兒”。
這個過程的難度超乎想象。實驗效率極低，在某種模式下，平均每小時才能捕捉到1.3次成功的事件。整個團隊爲此進行了數百小時的艱苦測量。
這不再是實驗，這是一場科學家與自然底層規律之間的耐心對決！
◆ 04 塵埃落定：物理學的宏偉大廈，基石穩固！
最終，實驗數據給出了斬釘截鐵的答案：
當作爲母光子的B不帶軌道角動量（OAM=0）時，分裂出的C和D光子，一個“向左扭”，另一個必然“向右扭”，不多不少，總和永遠爲0。
當B光子自己帶着“扭勁兒”（比如OAM=-1）時，C和D光子的“扭勁兒”加起來，也精確地等於-1。
完美！就像宇宙用最精密的數學寫下的一首詩。
這個結果雄辯地證明了：角動量守恆定律，並非宏觀世界的統計平均，而是刻在每一個量子粒子基因裏的鐵律。換句話說，我們終於“看到”了，原來在“量子”班級裏，平均85分，就是每個學生都考了85分。
物理學的宏偉殿堂，原來是由每一塊都絕對聽話的量子積木，分毫不差地搭建而成。
◆ 05 從驗證舊地圖，到開啓新大陸
你可能會問，證實了一個我們“早已知道”的定律，有什麼了不起？
了不起之處在於，科學家們不僅驗證了舊世界的地圖，更藉此繪製出了通往量子新大陸的航線。
這次的實驗平臺，是直接產生“高維量子糾纏”的完美溫牀。要理解它的顛覆性，我們可以這樣來看：
一個標準的量子比特（qubit），就像一枚在空中高速旋轉的硬幣。在它落地（被測量）之前，你不能說它是正面還是反面，而是兩者的疊加態。一旦落地，它也只會出現兩種基本結果：正面（代表0）或反面（代表1）。
而利用光子軌道角動量（OAM）構建的高維量子比特（qudit），將徹底打破這個限制。它不再是隻有兩個選項的硬幣，而更像一個擁有多個面的精密骰子。它的狀態可以是0、1、2、-1、-2等等，可能性大大增加。這就好比從只有“是/否”兩種答案的判斷題，升級到了有A、B、C、D、E多個選項的選擇題。因此，一個高維量子比特就能攜帶比標準量子比特多得多得多的信息！
更進一步說，這次的實驗平臺還爲創造更復雜的“超糾纏態”（hyper-entangled states）鋪平了道路，也就是在軌道角動量（空間）、偏振、時間等多個維度上同時將光子糾纏起來，信息承載能力將呈指數級爆炸式增長 。
這意味着什麼？
更強大的量子計算：指數級提升算力，解決今天無法想象的難題。
更安全的量子通信：構建無法被竊聽和破解的絕對安全網絡。
更精確的量子傳感：達到前所未有的測量精度。
這項看似基礎的研究，爲我們打開了一扇通往未來量子技術應用的大門。它證明，我們對宇宙的理解，又向最深處邁進了堅實的一步。
爲讓朋友們更好地理解這項研究，我用AI對論文進行了解讀並附後，感興趣的可以參考。
附：【論文AI解讀】
這項於2025年5月發表在《物理評論快報》上的研究，首次在實驗上證實了角動量守恆定律在單個光子層面依然成立，這是對量子物理學基本法則的一次深刻驗證。
簡單來說，這項研究的核心結論是：即使只有一個光子分裂成兩個，其攜帶的角動量（可以理解爲光的“扭轉”或“旋轉”狀態）也嚴格遵守守恆定律。
這就好像一個靜止的陀螺（總角動量爲0）分裂成兩個小陀螺，那麼這兩個小陀螺必然會以大小相等、方向相反的方式旋轉，以確保總角動量仍然爲0。
研究詳解
背景：光的“軌道角動量”
我們通常認爲光是直線傳播的，但光也可以像龍捲風一樣“扭轉”着前進。這種與光波空間結構相關的角動量被稱爲軌道角動量 (Orbital Angular Momentum, OAM)。
量子化特性：在量子世界裏，一個光子攜帶的OAM是量子化的，即它只能取整數倍的特定單位，這個整數被稱爲拓撲荷（topological charge, l）。
守恆定律：物理學的對稱性原理決定了在光與物質相互作用中，OAM應該是守恆的。例如，在一個稱爲自發參量下轉換 (Spontaneous Parametric Down-Conversion, SPDC)的過程中，一個高能量的“泵浦”光子穿過特殊晶體，會分裂成兩個低能量的光子（稱爲信號光子和閒置光子）。根據守恆定律，分裂後兩個光子的OAM之和，必須等於分裂前那個泵浦光子的OAM。
核心問題：單個光子也遵守規則嗎？
之前的實驗都是用強大的激光束（包含數萬億個光子）來驅動SPDC過程，並驗證了OAM在平均意義上是守恆的。然而，這留下了一個根本性的問題：這個守恆定律是否對每一個獨立的量子事件——即單個光子的分裂——都成立？此前，這一點從未被實驗直接證實過。
實驗方法：精巧的“級聯”設計
爲了解答這個問題，研究團隊設計了一個極其精密的“級聯SPDC”實驗裝置。
第一步：製造單光子泵浦源。他們首先用一束驅動激光照射第一個非線性晶體 (C1)，產生光子對（A和B）。
第二步：預報和泵浦。光子對被分開，其中一個光子A（波長1588 nm）被探測器接收，它的成功探測就如同一個“預報信號”，精確地宣告了它的孿生兄弟光子B（波長783 nm）的存在和位置。這個被“預報”的光子B就充當了後續實驗的單光子級別泵浦源。
第三步：核心分裂過程。這個單獨的光子B被引導射入第二個非線性晶體 (C2)，在這裏發生第二次SPDC過程，分裂成一對新的光子（信號光子和閒置光子）。
第四步：測量OAM。最後，研究人員精確測量這對新生成光子的OAM值，驗證它們的總和是否等於泵浦光子B的OAM值。
這個過程的挑戰極大，因爲單光子驅動的SPDC效率極低，成功事例非常罕見，如同“大海撈針”。例如，在一個設置中，每小時只能探測到約1.3個符合條件的 heralded 光子對。
主要發現：守恆定律得到證實
實驗結果有力地證實了OAM守恆定律在單光子層面依然有效。
當泵浦光子OAM爲0時 (lp=0)，產生的光子對的OAM值總是大小相等、符號相反（例如，一個爲+1，另一個爲-1），確保總和爲0。
當泵浦光子攜帶OAM時（例如lp=−1或lp=2），新生成的光子對的OAM值之和也精確地等於泵浦光子的OAM值。
這些結果與使用傳統強激光的測量結果高度一致，從而在最基本的量子層面上驗證了這一定律。
科學意義與未來展望
基礎物理學的里程碑：這項研究填補了我們對基本物理定律認識的一塊空白，證明了基於宏觀對稱性的守恆定律在微觀的單個量子事件中同樣適用。
推動量子技術發展：該實驗平臺不僅驗證了物理定律，更重要的是，它爲直接產生多光子高維糾纏態開闢了道路。糾纏是量子計算和量子通信的核心資源。通過操控光子的OAM（空間維度），並結合其偏振、時間等其他自由度，未來有望創造出前所未有的複雜量子態，用於構建更強大的量子計算機和更安全的量子通信網絡。
參考文獻：
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
