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我國科學家利用“墨子號”量子科學實驗衛星率先開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗
( 2019-09-19 )

  中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位的人員合作,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干的理論模型進行了實驗檢驗。2019年9月19日,國際權威學術期刊《科學》雜志以“First Release”形式在線發布了該重要研究成果。


  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。唯有關于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于建立關于四種基本相互作用的大統一理論。目前關于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于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,比如在極小空間尺度10-35米(比電子半徑10-15米還小了20個數量級),或者是極高能標 1019GeV(而當前能標最高的大型強子對撞機如LHC也只能將質子的能量提升至104GeV量級)。


  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制,比如,澳大利亞物理學家Ralph等提出一個“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,并提出一個現實可行的試驗方案。該方案預言,糾纏光子對在地球引力場中的傳播, 其關聯性會概率性地損失。假設在地球表面制備了一對糾纏光子對,其中一個光子在光源附近的地表傳播;而另一個光子穿過地球引力場傳播到衛星。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。


  量子衛星正是檢驗這一理論的理想平臺。基于地星之間的量子態分發,潘建偉團隊已經開展了一系列創新性的實驗研究。2016年8月16日,我國發射了世界首顆量子科學實驗衛星“墨子號”。至2017年8月,“墨子號”圓滿完成三大既定的科學目標:千公里級地星雙向量子糾纏分發、地星量子密鑰分發和地星量子隱形傳態,三項工作成果分別發表于《科學》雜志[Science 356, 1140 (2017)]和《自然》雜志[Nature 549, 43 (2017);Nature 549, 70 (2017)]。


  得益于“墨子號”量子科學實驗衛星的前期實驗工作和技術積累,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;在實驗觀測結果的基礎上,該工作對之前的理論模型進行了修正和完善。修正后的理論表明,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。為了進一步進行確定性的驗證,未來需要在更高軌道的實驗平臺開展研究。


  這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試融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。


  該研究工作得到了中科院、國家自然科學基金委、科技部、教育部、安徽省等的支持。



圖:檢測引力致糾纏退相干現象的實驗示意圖


  論文鏈接:https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aay5820


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