关于光子分裂为相干光子及转化为同偏振低能光子的理论可行性问询

问题1：单个光子能否分裂为两个与原光子保持相干性的光子？ #

当然可以，这在量子光学领域是非常成熟的理论过程，最具代表性的就是自发参量下转换（SPDC）。简单来说，当一个高能光子（通常是紫外或可见光波段）穿过特定的非线性晶体时，有一定概率（虽然概率不高）会被晶体的非线性极化作用“拆分”成两个能量更低的光子——我们通常称它们为「信号光子」和「闲置光子」。

这两个子光子的相干性是天生自带的：它们源自同一个母光子，因此相位严格关联，甚至能形成量子纠缠（比如采用II类相位匹配时）。整个过程完全符合量子力学的能量守恒（母光子能量=信号光子能量+闲置光子能量）和动量守恒（也就是相位匹配条件），没有违反任何基本物理定律。

问题2：是否存在阻碍单个光子转化为两个偏振态一致的低能光子的理论原因？ #

从纯理论角度看，只要满足基本守恒律，就没有本质上的阻碍。核心在于偏振态对应的角动量守恒要求：

• 如果原光子是线偏振的，它在偏振方向上的角动量投影为0。若两个子光子都采用与原光子一致的线偏振方向，它们的总角动量投影为0+0=0，完美匹配原光子的角动量，完全符合守恒规则。
• 要是原光子是圆偏振的（比如右旋圆偏振，角动量为+ħ），如果想让两个子光子也保持相同的右旋圆偏振，总角动量就会变成+ħ+ħ=+2ħ，这和原光子的+ħ不匹配——这种情况无法实现，但这不是“理论阻碍”，而是守恒律的硬性要求。反过来，如果我们调整条件，让子光子的角动量之和等于原光子的（当然这时候就无法保持两个子光子偏振完全一致了），过程就能成立。

实际实验中，我们还可以通过选择I类相位匹配的非线性晶体，直接实现两个子光子偏振态完全一致——这种匹配模式下，信号光子和闲置光子的偏振方向相同，只要调整好晶体取向和入射光偏振，就能让它们和原光子的偏振态保持一致。

总结来说：只要满足能量、动量、角动量这些基本守恒律，单个光子转化为两个同偏振低能光子在理论上完全可行，不存在不可逾越的障碍。

内容的提问来源于stack exchange，提问作者Sepehr Nazari