來源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
圖：檢測(cè)引力致糾纏退相干現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)示意圖 中國(guó)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(guó)加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的人員合作，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。2019年9月19日，國(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該重要研究成果。 量子力學(xué)和廣義相對(duì)論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。然而，任何試圖將量子力學(xué)和廣義相對(duì)論進(jìn)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(qiáng)相互作用都已量子化，而且已經(jīng)統(tǒng)一。唯有關(guān)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(guān)于四種基本相互作用的大統(tǒng)一理論。目前關(guān)于如何融合量子力學(xué)和引力理論的討論，模型眾多，但都缺乏實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。一個(gè)主要的原因是由于這些理論模型的預(yù)言都需要目前難以達(dá)到的極端實(shí)驗(yàn)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(gè)數(shù)量級(jí)），或者是極高能標(biāo) 1019GeV（而當(dāng)前能標(biāo)最高的大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)如LHC也只能將質(zhì)子的能量提升至10 4GeV量級(jí)）。 近年來，理論物理學(xué)家探討了一些在目前實(shí)際條件下可能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的新機(jī)制，比如，澳大利亞物理學(xué)家Ralph等提出一個(gè)“事件形式”理論模型，探討了引力可能導(dǎo)致的量子退相干效應(yīng)，并提出一個(gè)現(xiàn)實(shí)可行的試驗(yàn)方案。該方案預(yù)言，糾纏光子對(duì)在地球引力場(chǎng)中的傳播， 其關(guān)聯(lián)性會(huì)概率性地?fù)p失。假設(shè)在地球表面制備了一對(duì)糾纏光子對(duì)，其中一個(gè)光子在光源附近的地表傳播；而另一個(gè)光子穿過地球引力場(chǎng)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(duì)將保持糾纏特性；而依據(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對(duì)之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì)概率性地受到損失。 量子衛(wèi)星正是檢驗(yàn)這一理論的理想平臺(tái)�；诘匦侵g的量子態(tài)分發(fā)，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了一系列創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)研究。2016年8月16日，我國(guó)發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。至2017年8月，“墨子號(hào)”圓滿完成三大既定的科學(xué)目標(biāo)：千公里級(jí)地星雙向量子糾纏分發(fā)、地星量子密鑰分發(fā)和地星量子隱形傳態(tài)，三項(xiàng)工作成果分別發(fā)表于《科學(xué)》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(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)工作和技術(shù)積累，本研究在國(guó)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(duì)穿越地球引力場(chǎng)的量子糾纏光子退相干情況展開測(cè)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；在實(shí)驗(yàn)觀測(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，該工作對(duì)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)”現(xiàn)有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。為了進(jìn)一步進(jìn)行確定性的驗(yàn)證，未來需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展研究。 這是國(guó)際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試融合量子力學(xué)與廣義相對(duì)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。 該研究工作得到了中科院、國(guó)家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、安徽省等的支持。 |
