在物理学的宏伟框架中，守恒定律如同坚不可摧的支柱，规定着我们宇宙的基本对称性和行为。从宏观的天体力学领域到亚原子粒子的神秘舞蹈，能量、动量和角动量等原理为理解物理现象提供了基础框架。其中，角动量守恒尤其引人入胜，特别是当它应用于光时。几十年来，光的角动量已在各种背景下得到探索，带来了突破性的见解和应用。然而，近期PRL上一项关键性研究《Conservation of Angular Momentum on a Single-Photon Level》将这一理解推向了新的高度，首次在最基本的尺度上——单个光子，明确验证了角动量守恒定律。

光，通常被简单地视为粒子流或波，却拥有丰富的特性，包括角动量。这种角动量大致可分为两种形式：自旋角动量 (SAM) 和 轨道角动量 (OAM)。自旋角动量与光的偏振内在相关，例如，圆偏振光每个光子携带 ±ℏ 的自旋角动量，其中 ℏ 是约化普朗克常数，这种特性类似于基本粒子的自旋。另一方面，轨道角动量与光场的空间分布有关，具有螺旋或“扭曲”波前的光束，例如拉盖尔-高斯模式，每个光子携带量子化的轨道角动量，通常是 ℏ 的整数倍。至关重要的是，光子携带的轨道角动量可以远大于其自旋角动量，使其成为编码和操纵量子信息的重要自由度。

尽管光的轨道角动量概念在经典光学中已得到很好的确立，并通过涉及强激光场的实验成功地转移到量子领域，但一个挥之不去的概念挑战依然存在：如何明确验证单个光的量子体对轨道角动量的守恒？以前的实验，通常依赖于高强度的相干激光束，只能证实宏观光子集合中平均轨道角动量的守恒。这种局限性源于经典光场固有的光子数波动，这意味着此类光场携带的总轨道角动量也会波动。要真正探究轨道角动量守恒的基本性质，特别是它在量子极限下的遵守情况，需要一种不同的方法——一种涉及单个、精确控制的光子作为起始事件的方法。

自发参量下转换 (SPDC) 过程是这项研究的理想熔炉。在 SPDC 中，一个高能“泵浦”光子在与非线性晶体相互作用后，自发分裂成两个低能的纠缠光子，通常被称为“信号”光子和“闲置”光子。这个过程受到严格的守恒定律的约束，包括能量和动量。至关重要的是，它也被认为遵守轨道角动量守恒：如果泵浦光子携带一定量的轨道角动量，那么生成的信号光子和闲置光子的轨道角动量之和必须等于泵浦光子的轨道角动量。这一特性已被巧妙地用于生成纠缠光子对，其中两个光子的轨道角动量状态密不可分地联系在一起。然而，当泵浦本身是单个孤立的光子时，证明这种联系和守恒是一项巨大的实验壮举。

新论文正面解决了这一挑战。研究人员设计了一个复杂的实验装置，采用级联下转换方案来生成一个携带精确定义量轨道角动量的单光子泵浦。然后，这个单个“扭曲”的光子被引导到第二个非线性晶体中以诱导 SPDC 过程。随后的任务是精确探测生成的信号光子和闲置光子，并准确测量它们各自的轨道角动量状态。鉴于单光子事件的概率性质以及操纵量子态固有的难度，这是一项异常艰巨的工作，其特点是数据收集时间长，并且只检测到少量相关的光子事件。然而，结果是明确无误的：信号光子和闲置光子的轨道角动量之和始终与单光子泵浦的轨道角动量匹配。这一里程碑式的观察无可辩驳地证实了轨道角动量确实在最基本、单量子的层面上得到守恒，验证了对这一原理长期以来的理论理解。

这项研究的意义深远，它横跨了基础物理学和新兴的量子技术领域。首先，它加深了我们对量子极限下光与物质相互作用的理解，即使在处理单个量子实体时，也增强了守恒定律的稳健性。其次，也是更直接的影响是，这项工作为直接生成多光子高维纠缠铺平了道路。通过从单光子泵浦可靠地创建具有特定轨道角动量状态的纠缠光子，研究人员可以探索更复杂的量子现象，并构建更复杂的量子系统。这种能力对于开发下一代量子通信协议至关重要，其中 OAM 可以作为量子信息的高容量和稳健载体，并推动利用高维量子态的量子计算架构。

总之，单光子层面角动量守恒的验证是量子光学领域的一个重要里程碑。它不仅巩固了我们对自然界最基本原理之一的理解，也为探索在最基本层面上操纵光的丰富可能性开辟了新的途径。当我们继续深入探究量子世界的奥秘时，这种精确的实验验证是无价的，它推动了可能性的边界，使我们更接近于利用量子现象的全部潜力进行技术创新。