中国“墨子号”卫星完成引力诱导量子纠缠退相干理论检验

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中新网北京9月20日电(记者孙子发吴岚)中国科学院20日宣布,中国科学院院士,中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志,范敬云和其他加州理工学院的研究人员,澳大利亚昆士兰大学的科研人员与中国“墨子”量子科学实验卫星合作,通过实验测试了一种由预言引力场引起的量子退相干的理论模型。北京时间清晨,这项重要的研究结果由国际权威学术期刊《科学》在线发布。

实验现场,地面是为了提高信号光强度,使用三个设备一起工作,照片中的两个望远镜同时将信标光传输到卫星。中科大/图图

这是世界上第一次使用地球引力场中的量子卫星对结合量子力学和广义相对论的理论进行实验性测试,这将极大地促进相关物理学的基础理论和实验研究。潘建伟说,“墨子”的先进技术为人类历史上首次成功地利用量子光学实验完成了量子理论与引力之间的基本理论验证做出了贡献。

延时摄影下的阿里地面站望远镜与莫兹量子通信。中科大/图图

量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。但是,任何试图将量子力学与广义相对论融合的理论工作都非常困难。在目前已知的四种基本相互作用中,电磁相互作用,弱相互作用和强相互作用已被量化和统一。只有引力效应的量化问题尚未解决,解决这个问题将有助于建立四个基本相互作用的统一大理论。目前,有许多关于如何整合量子力学和引力理论的模型,但是它们缺乏实验测试。主要原因之一是这些理论模型的预测需要在目前难以实现的极端实验条件下进行测试。

参与该实验的科研工作者在阿里地面站,照片的背景是与“墨子”对接的。中科大/图图

近年来,理论物理学家已经探索了一些新的机制,这些新机制可以在当前实际条件下进行实验验证。澳大利亚物理学家拉尔夫(Ralph)提出了一种“事件形式”的理论模型,以探索可能由引力引起的量子。退相干效应并提出切合实际和可行的测试计划。

量子科学实验卫星是检验该理论的理想平台。借助潘墨唯团队通过“墨子”量子科学实验卫星所做的初步实验工作和技术积累,这次中外科学家合作并在世界上遥遥领先。在太空中进行了飞行员诱发的量子纠缠退相干实验,以测试穿过地球引力场的量子纠缠光子的退相干。

阿里地面站望远镜,用于与墨子进行量子通信。中科大/图图

最终,研究人员在本次实验中利用卫星产生并测量了两个纠缠粒子,并通过一系列精巧的实验设计和理论分析,令人信服地排除了“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象;在实验观测结果基础上,该工作对之前的理论模型进行了修正和完善。修正后的理论表明,在“墨子号”现有500公里轨道高度下,纠缠退相干现象将表现得比较微弱。为进一步进行确定性的验证,未来还需要在更高轨道的实验平台开展研究。(完)