“墨子號”又立功!率先檢驗引力如何影響量子糾纏
2019年09月21日10:21

  我國“墨子號”量子科學衛星再獲重要成果。中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承誌、範靖雲等與美國加州理工學院、澳州昆士蘭大學等單位的科研工作人員合作,利用“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。

實驗場景(中國科學技術大學供圖)
實驗場景(中國科學技術大學供圖)

  國際權威學術期刊《科學》雜誌19日在線發佈了該研究成果。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,將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

  論文通訊作者、中國科大副校長、中科院量子信息與量子科技創新研究院院長潘建偉表示:“‘墨子號’的先進技術促成了人類歷史上第一次成功地利用量子光學實驗方式完成了量子理論和引力之間的基礎理論驗證。”

  據瞭解,量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。希望將這兩大理論統一起來,是全球物理學家都密切關注的事情。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實現了“量子化”,唯有關於引力作用的量子化問題一直懸而未決。雖然相關的理論模型已有不少,但一直受限於實驗條件而未能得到檢驗。

  近年來,理論物理學家探討了一些更容易被驗證的新理論機製,比如澳州物理學家Ralph等人提出的被稱為“事件形式”的理論模型。該理論認為量子態在奇異時空和平直時空中的演化是不同的,並預言地星之間分發的糾纏光子對會發生退相干現象。假設在地球表面製備了一對糾纏光子對,其中一個光子穿過局域平直時空,在光源附近的地表傳播;而另一個光子穿過地球引力場形成的彎曲時空,傳播到衛星。依據現有的量子力學理論,所有糾纏光子對將保持糾纏特性;而依據“事件形式”理論,糾纏光子對之間的關聯性則會概率性地受到損失。

  量子科學實驗衛星正是檢驗這一理論的理想平台。基於墨子號的前期工作,本研究在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。最終,通過一系列精巧的實驗設計和理論分析,本次實驗令人信服地排除了“事件形式”理論所預言的引力導致糾纏退相干現象。

  同時,在實驗觀測結果的基礎上,該工作又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”當前所在的500公里軌道高度下,糾纏退相干現象將表現得比較微弱,因而無法得到明確驗證,未來還需要在更高軌道的實驗平台上開展進一步驗證。

  “我們排除了‘事件形式’較強的理論模型,但是經過修正後的理論模型是否正確仍然懸而未決。”潘建偉說。為了測試這個修正版的理論模型,潘建偉和他的團隊將發射一顆新的衛星,它的軌道將比“墨子號”高20到60倍,能夠在更大的引力強度範圍內進行檢驗。

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