Фізики вперше довели, що навіть один-єдиний фотон підкоряється одному з найсуворіших законів природи — закону збереження кутового моменту. Це відкриття стало результатом надзвичайно складного експерименту, який вдався лише один раз із мільярда спроб. Проте саме цей рідкісний успіх підтвердив фундаментальний принцип фізики на найменшому масштабі та водночас відкрив шлях до розвитку нових квантових технологій, зокрема у сфері зв’язку, обчислень і сенсорних систем.
Дослідники з університету Тампере у співпраці з колегами з Німеччини та Індії показали, що кутовий момент зберігається навіть тоді, коли один фотон розщеплюється на два. Світло, окрім енергії, може нести й орбітальний кутовий момент, який визначається просторовою формою світлового променя. З
а правилами симетрії, якщо фотон без орбітального моменту поділяється, то новоутворені фотони повинні мати однакові за величиною, але протилежні за знаком значення. Це означає, що рівняння на зразок «+1 та -1 дорівнює нулю» має виконуватися завжди.
Дотепер подібні експерименти проводилися переважно з лазерними пучками, де мова йшла про великі кількості фотонів. Однак тепер учені підтвердили цей закон і для одиничної квантової частинки. Щоб досягти цього, довелося збудувати надзвичайно стабільну оптичну систему та застосувати найчутливіші методи детекції. Ймовірність успіху була мізерною — лише кожен мільярдний фотон перетворювався на пару, проте зібраних даних виявилося достатньо, щоб експериментально довести справедливість закону збереження.
Цікаво, що під час досліджень команда зафіксувала перші ознаки квантової заплутаності у створених фотонних парах. Це означає, що методика може стати основою для формування ще складніших квантових станів, де частинки будуть пов’язані між собою одночасно у просторі, часі та поляризації.
За словами професора Роберта Фіклера, який керував експериментальною групою, робота має подвійне значення: вона не лише підтверджує фундаментальний закон фізики, але й наближає дослідників до створення нових інструментів квантових технологій. У майбутньому команда планує підвищити ефективність методу, вдосконалити стратегії вимірювань і розширити застосування багатофотонних станів у квантових комунікаціях, мережах та експериментальних перевірках квантових принципів.
Таким чином, відкриття з університету Тампере можна вважати історичною віхою: воно підтвердило непорушність одного з найважливіших законів природи навіть у світі найдрібніших частинок та водночас продемонструвало потенціал квантових технологій, що формуватимуть майбутнє науки і техніки.