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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 孙自法 吴兰)中国科学院20日发布消息说,中科院院士、中国科学技术大学教授潘建伟及其同事彭承志、范靖云等与美国加州理工学院、澳大利亚昆士兰大学等单位科研工作人员合作,利用中国“墨子号”量子科学实验卫星对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行了实验检验。北京时间当天凌晨,这一重要研究成果获国际权威学术期刊《科学》杂志在线发表。

实验场景,地面为提高信号光强度,采用三台设备联合工作,照片中有两台望远镜同时向卫星发射信标光。 中科大/供图
实验场景,地面为提高信号光强度,采用三台设备联合工作,照片中有两台望远镜同时向卫星发射信标光。 中科大/供图

  这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试结合量子力学与广义相对论的理论进行实验检验,将极大推动相关物理学基础理论和实验研究。潘建伟表示,“墨子号”的先进技术,促成了人类历史上第一次成功地利用量子光学实验方式完成量子理论和引力之间的基础理论验证。

延时摄影下的阿里地面站望远镜,用于与“墨子号”进行量子通信。 中科大/供图 摄
延时摄影下的阿里地面站望远镜,用于与“墨子号”进行量子通信。 中科大/供图

  量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而,任何试图将量子力学和广义相对论进行融合的理论工作都遇到极大困难。在目前已知的四种基本相互作用中,电磁、弱相互作用和强相互作用都已量子化,而且已经统一。唯有关于引力作用的量子化问题一直悬而未决,解决这一问题将有助于建立关于四种基本相互作用的大统一理论。目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论,模型众多,但都缺乏实验检验。一个主要的原因是由于这些理论模型的预言都需要目前难以达到的极端实验条件下检验。

参与实验的科研工作者在阿里地面站,照片背景就是与“墨子号”进行星地对接。 中科大/供图 摄
参与实验的科研工作者在阿里地面站,照片背景就是与“墨子号”进行星地对接。 中科大/供图

  近年来,理论物理学家探讨了一些在目前实际条件下可能进行实验验证的新机制,澳大利亚物理学家拉夫(Ralph)提出一个“事件形式”理论模型,探讨了引力可能导致的量子退相干效应,并提出一个现实可行的试验方案。

  量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台,得益于潘建伟团队通过“墨子号”量子科学实验卫星的前期实验工作和技术积累,这次中外科学家合作,于国际上率先在太空开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验,对穿越地球引力场的量子纠缠光子退相干情况展开测试。

用于与“墨子号”进行量子通信的阿里地面站望远镜。 中科大/供图 摄
用于与“墨子号”进行量子通信的阿里地面站望远镜。 中科大/供图

  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)

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