“墨子號(hào)”又立功！率先檢驗(yàn)引力如何影響量子糾纏

實(shí)驗(yàn)場景（中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)供圖）

人民網(wǎng)北京9月20日電（趙竹青）我國“墨子號(hào)”量子科學(xué)衛(wèi)星再獲重要成果。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的科研工作人員合作，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。

國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志19日在線發(fā)布了該研究成果。這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，將極大地推動(dòng)相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)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(chuàng)新研究院院長潘建偉表示：“‘墨子號(hào)’的先進(jìn)技術(shù)促成了人類歷史上第一次成功地利用量子光學(xué)實(shí)驗(yàn)方式完成了量子理論和引力之間的基礎(chǔ)理論驗(yàn)證。”

據(jù)了解，量子力學(xué)和廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。希望將這兩大理論統(tǒng)一起來，是全球物理學(xué)家都密切關(guān)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(qiáng)相互作用都已實(shí)現(xiàn)了“量子化”，唯有關(guān)于引力作用的量子化問題一直懸而未決。雖然相關(guān)的理論模型已有不少，但一直受限于實(shí)驗(yàn)條件而未能得到檢驗(yàn)。

近年來，理論物理學(xué)家探討了一些更容易被驗(yàn)證的新理論機(jī)制，比如澳大利亞物理學(xué)家Ralph等人提出的被稱為“事件形式”的理論模型。該理論認(rèn)為量子態(tài)在奇異時(shí)空和平直時(shí)空中的演化是不同的，并預(yù)言地星之間分發(fā)的糾纏光子對會(huì)發(fā)生退相干現(xiàn)象。假設(shè)在地球表面制備了一對糾纏光子對，其中一個(gè)光子穿過局域平直時(shí)空，在光源附近的地表傳播；而另一個(gè)光子穿過地球引力場形成的彎曲時(shí)空，傳播到衛(wèi)星。依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性；而依據(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì)概率性地受到損失。

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正是檢驗(yàn)這一理論的理想平臺(tái)?；谀犹?hào)的前期工作，本研究在國際上率先在太空開展引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析，本次實(shí)驗(yàn)令人信服地排除了“事件形式”理論所預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，該工作又對之前的理論模型進(jìn)行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號(hào)”當(dāng)前所在的500公里軌道高度下，糾纏退相干現(xiàn)象將表現(xiàn)得比較微弱，因而無法得到明確驗(yàn)證，未來還需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上開展進(jìn)一步驗(yàn)證。

“我們排除了‘事件形式’較強(qiáng)的理論模型，但是經(jīng)過修正后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(gè)修正版的理論模型，潘建偉和他的團(tuán)隊(duì)將發(fā)射一顆新的衛(wèi)星，它的軌道將比“墨子號(hào)”高20到60倍，能夠在更大的引力強(qiáng)度范圍內(nèi)進(jìn)行檢驗(yàn)。