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本報北京9月21日電(記者齊芳)20日淩晨上線的國際學術期刊《科學》在線發布了中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、範靖雲等與美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位的科研人員合作完成的一項成果——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。這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗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。

我們知道,量子密碼之所以安全,就是因爲量子糾纏存在遙遠距離之間的關聯性。那麽,引力會不會讓糾纏的光子發生變化呢?簡單地說,這次實驗就是要在一定範圍內回答這個問題。

對科學家而言,這不僅是要解答引力與量子力學之間的關系,更涉及一個所有物理學家都非常關心的根本問題:廣義相對論和量子物理是否有大一統的可能性。

中國科學技術大學教授、試驗的主要參與者之一陳宇翺介紹,量子力學和解釋引力的廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。它們在各自的領域都取得了巨大成功,但任何試圖將它們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。而這次實驗,就是多國科學家共同合作,試圖在某個層面上將廣義相對論和量子物理學放入一個統一理論框架中,並用“墨子號”量子衛星對其中一種理論進行了實驗檢驗。

在引力與量子力學的問題上,理論物理學家曾經提出了多種解釋,但都缺乏實驗檢驗——一個主要的原因是難以達到所需要的極端實驗條件。于是,理論物理學家更進一步,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就提出一個“事件形式”理論模型。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。

量子科學實驗衛星正是檢驗這一理論的理想平台。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幹實驗檢驗,對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相幹情況展開測試。

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幹現象;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。修正後的理論表明,在“墨子號”現有500公裏軌道高度下,糾纏退相幹現象將表現得比較微弱。潘建偉說:“我們排除了‘事件形式’較強的理論模型,但還有其他版本的理論模型有待檢驗。”

這個試驗只是開始,潘建偉說:“經過修正後的理論模型是否正確仍然懸而未決。”爲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台開展研究。潘建偉介紹,團隊將發射一顆新的衛星,預計它的軌道將比“墨子號”高20到60倍,其中一項科學實驗任務就是能夠在理論預言更強的糾纏退相幹範圍內進行檢驗。


《光明日报》( 2019年09月22日 04版)

http://epaper.gmw.cn/gmrb/html/2019-09/22/nw.D110000gmrb_20190922_1-04.htm