Физики подтвердили сохранение орбитального момента света на уровне одного фотона

Физики из Финляндии, Германии и Индии экспериментально подтвердили, что при спонтанном параметрическом рассеянии света сохраняется орбитальный угловой момент. При этом ученым удалось это доказать на уровне одиночных фотонов. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.

Законы сохранения играют фундаментальную роль в физике: они отражают глубинные симметрии природы и служат важнейшими ориентирами при построении теорий. Проверка таких законов в новых режимах — особенно в условиях, близких к отдельным квантам — позволяет не только подтвердить действующие модели, но и выявить возможные отклонения, которые могут указать на новую физику. 

Орбитальный угловой момент света — это характеристика пучка, связанная с его спиралевидной фазовой структурой. Такие пучки, называемые оптическими вихрями, описываются целым числом — топологическим зарядом. В квантовом представлении это означает, что каждый фотон в пучке несет момент 𝓁ℏ, где 𝓁 — тот самый заряд. Известно, что при нелинейном взаимодействии света с веществом, в том числе при спонтанном параметрическом рассеянии, этот момент должен сохраняться. Однако в экспериментах с классическим лазером это можно проверить только в среднем: из-за флуктуаций числа фотонов моменты тоже флуктуируют.

Исследователи под руководством Роберта Фиклера (Robert Fickler) из Университета Тампере экспериментально подтвердили сохранение углового орбитального момента на уровне одиночных фотонов. Для этого ученые построили каскадную схему, в которой первый кристалл генерировал фотонную пару, один фотон из этой пары физики использовали как накачку для второго процесса спонтанного параметрического рассеяния. Орбитальный момент фотона-накачки задавался с помощью пространственного фазового модулятора, накладывающего на пучок спиральную фазу с нужным топологическим зарядом. Вторая пара, рожденная на выходе, измерялась на предмет корреляций орбитального углового момента между фотонами.

Измерения подтвердили, что сумма орбитальных моментов новых фотонов строго совпадает с моментом фотона-накачки, даже если последний представляет собой одиночный квант. Ученые проверили это для разных значений момента. В каждом случае корреляции совпадали с предсказанными правилами отбора. Более того, они почти полностью повторяли результаты, полученные при классической лазерной накачке.

По словам авторов, их подход позволит напрямую генерировать многоквантовые запутанные состояния в пространственной моде, в том числе трехфотонные, без использования волноводов. В будущем это может открыть дорогу к более компактным и масштабируемым источникам пространственной запутанности для квантовых технологий.

Ученые продолжают изучать свойства света. Например, ранее мы писали как физикам удалось закрутить свет в спираль.