July, 7, 2025, Tampere--タンペレ大学(Tampere University)の研究者とドイツとインドの共同研究者は、単一の光子がペアに変換されるときに角運動量が保存されることを実験的に確認し、量子レベルでの物理学の重要な原理を初めて検証した。
このブレークスルーは、コンピューティング、通信、センシングに役立つ複雑な量子状態を作り出すための新たな可能性を開く。
保存法則は、どのプロセスが許可され、または禁止されるかを規定するため、われわれの自然科学的な理解の中心である。簡単な例は、ビリヤードボールが衝突する場合で、運動とそれに伴う直線運動量が1つのボールから別のボールに伝達される。 角運動量を持つ回転物体についても、同様の保存則が存在する。興味深いことに、光は、光の空間構造に接続された軌道角運動量(OAM)などの角運動量を持つこともある。
量子領域では、これは、光の単一粒子、いわゆるフォトンが、光と物質の相互作用で保存する必要があるOAMの明確な量子を持っていることを意味する。Physical Review Letters誌に掲載された最近の研究では、Tampere Universityの研究者とその共同研究者たちは、これらの保存則のテストを絶対的な量子限界まで押し上げた。研究チームは、単一の光子が光子ペアに分割されたときにOAM量子の保存が維持されるかどうかを調査した。
1 から 1 を引いた値は 0 に等しくなる
保存則では、たとえば、OAMがゼロのフォトンが2つのフォトンに分割される場合、両方の光子のOAM量子がゼロに加算されなければならないと規定されている。したがって、新しく生成された光子の1つが1つのOAM量子を持つことが判明した場合、そのパートナーフォトンは反対、つまり負のOAM量子を持つ必要がある。つまり、単純な式 1 + (-1) = 0 が成り立つ必要がある。これらの保存則は、レーザを使用した無数の光学実験でテストされ、利用されてきたが、単一の光子についてはテストされたことはない。
「われわれの実験では、プロセスが単一のフォトンによって駆動される場合でも、OAMは実際に保存されることが示されている。これは、最も基本的なレベルでの重要な保存則を裏付けるものであり、最終的にはプロセスの対称性に基づいている」と、この研究の筆頭著者、Dr.Lea Kopfは説明している。
実験室の干し草の山からフォトニック針を見つける
チームの実験は、必要な非線形光学プロセスが非常に非効率的であるため、繊細な測定に依存している。10億個に1個のフォトンのみがフォトンペアに変換されるため、単一光子(シングルフォトン)のOAM保存力を測定することは、干し草の山から針を探すことわざに似ている。
非常に安定した光学設定、低いバックグラウンドノイズ、可能な限り最高の効率での検出スキーム、および多くの実験耐久性により、研究者は基本的な保存則を確認するのに十分な成功した変換を記録することができた。
OAM保存の確認に加えて、チームは生成されたフォトンペアの量子エンタングルメントの最初の兆候を観察した。これは、この手法を拡張して、より複雑な光量子状態を作り出すことができることを示唆している。
「この研究は、根本的に重要であるだけでなく、フォトンが空間、時間、偏光など、あらゆる方法でエンタングルする新しい量子状態の生成に大きく近づくものである」と、実験が行われた実験量子光学グループを率いるRobert Fickler教授は付け加えた。
今後、研究チームは、スキームの全体的な効率を向上させ、生成された量子状態を測定するためのより良い戦略を開発して、将来的にはこれらのフォトニックニードルを実験室の干し草の山で見つけやすくする予定である。さらに、研究チームは、生成されたマルチフォトン量子状態を、量子通信やネットワークスキームなどの新しい基本的な量子テストや量子フォトニクスの応用に活用することを目指している。