中國“墨子號”衛星完成引力誘導量子糾纏退相干理論檢驗
2019年09月20日09:36

原標題:中國“墨子號”衛星完成引力誘導量子糾纏退相干理論檢驗

中新網北京9月20日電 (記者 孫自法 吳蘭)中國科學院20日發佈消息說,中科院院士、中國科學技術大學教授潘建偉及其同事彭承誌、範靖雲等與美國加州理工學院、澳州昆士蘭大學等單位科研工作人員合作,利用中國“墨子號”量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相幹的理論模型進行了實驗檢驗。北京時間當天淩晨,這一重要研究成果獲國際權威學術期刊《科學》雜誌在線發表。

延時攝影下的阿里地面站望遠鏡,用於與“墨子號”進行量子通信。 中科大/供圖

  這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嚐試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗,將極大推動相關物理學基礎理論和實驗研究。潘建偉表示,“墨子號”的先進技術,促成了人類曆史上第一次成功地利用量子光學實驗方式完成量子理論和引力之間的基礎理論驗證。

  量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。然而,任何試圖將量子力學和廣義相對論進行融合的理論工作都遇到極大困難。在目前已知的四種基本相互作用中,電磁、弱相互作用和強相互作用都已量子化,而且已經統一。唯有關於引力作用的量子化問題一直懸而未決,解決這一問題將有助於建立關於四種基本相互作用的大統一理論。目前關於如何融合量子力學和引力理論的討論,模型眾多,但都缺乏實驗檢驗。一個主要的原因是由於這些理論模型的預言都需要目前難以達到的極端實驗條件下檢驗。

參與實驗的科研工作者在阿里地面站,照片背景就是與“墨子號”進行星地對接。 中科大/供圖

  近年來,理論物理學家探討了一些在目前實際條件下可能進行實驗驗證的新機製,澳州物理學家拉夫(Ralph)提出一個“事件形式”理論模型,探討了引力可能導致的量子退相干效應,並提出一個現實可行的試驗方案。

  量子科學實驗衛星正是檢驗這一理論的理想平台,得益於潘建偉團隊通過“墨子號”量子科學實驗衛星的前期實驗工作和技術積累,這次中外科學家合作,於國際上率先在太空開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗,對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況展開測試。

用於與“墨子號”進行量子通信的阿里地面站望遠鏡。 中科大/供圖

  最終,研究人員在本次實驗中利用衛星產生並測量了兩個糾纏粒子,並通過一系列精巧的實驗設計和理論分析,令人信服地排除了“事件形式”理論所預言的引力導致糾纏退相干現象;在實驗觀測結果基礎上,該工作對之前的理論模型進行了修正和完善。修正後的理論表明,在“墨子號”現有500公里軌道高度下,糾纏退相干現象將表現得比較微弱。為進一步進行確定性的驗證,未來還需要在更高軌道的實驗平台開展研究。(完)

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