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“墨子号”成果再登《科学》!国际首次实验检验“引力场导致量子

2019-11-08 13:34:13 来源:清香新闻

探测重力纠缠退相干的实验示意图

中国科技大学潘建伟教授及其同事彭承志和范景云,与加州理工学院和澳大利亚昆士兰大学的人员合作,利用墨子量子科学实验卫星,对预测重力场引起的量子退相干的理论模型进行了实验测试。2019年9月19日,国际权威学术期刊《科学》(Science)以“首次发布”的形式在网上发布了重要的研究成果。

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结合起来的理论工作都会遇到很大的困难。

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经被量化和统一。只有引力的量子化问题仍未解决。解决这个问题将有助于建立四个基本相互作用的统一理论。

目前,关于如何结合量子力学和引力理论的讨论有很多模型,但都缺乏实验测试。主要原因之一是这些理论模型的预测需要极端的实验条件,而这些条件目前很难实现。

近年来,理论物理学家探索了一些新的机制,这些机制可能在当前的实际条件下通过实验得到验证。例如,澳大利亚物理学家拉尔夫等人提出了“事件形式”的理论模型,讨论了重力可能引起的量子退相干效应,并提出了一个实用可行的实验方案。该方案预测在地球引力场中传播的纠缠光子对的相关性可能会丢失。假设在地球表面准备了一对纠缠光子对,其中一对在靠近光源的地球表面传播。而另一个光子穿过地球引力场到达卫星。根据现有的量子力学理论,所有纠缠光子对都将保持纠缠特性。根据“事件形式”理论,纠缠光子对之间的相关性可能会丢失。

在实验场景中,为了提高信号光强度,地面使用三个设备共同工作。在照片中,两台望远镜同时向卫星发射信标光。

量子卫星是测试这一理论的理想平台。基于地球恒星之间量子态的分布,潘建伟团队进行了一系列创新实验研究。2016年8月16日,中国发射了世界上第一颗量子科学实验卫星——墨子。到2017年8月,“墨子”成功完成了其三个既定的科学目标:双向量子纠缠分布、量子密钥分布和量子隐形传态。

由于“墨子”量子科学实验卫星先前的实验工作和技术积累,这项研究是世界上第一次在空间进行重力诱导量子纠缠退相干实验,并测试量子纠缠光子穿越地球重力场的退相干。最后,通过一系列精巧的实验设计和理论分析,本实验令人信服地排除了“事件形式”理论预测的纠缠退相干现象。在实验观测结果的基础上,对以前的理论模型进行了修正和改进。修正后的理论表明,在墨子500公里的当前轨道高度上,纠缠退相干现象相对较弱。为了进一步验证这一确定性,未来的研究需要在较高轨道的实验平台上进行。

阿里地面站望远镜在延时摄影下用于与墨子的量子通信

这是世界上第一次利用量子卫星对试图将量子力学和广义相对论融合到地球引力场中的理论进行实验测试,这将极大地促进相关物理的基础理论和实验研究。

这项研究工作得到了中国科学院、中国国家自然科学基金会、科技部、教育部和安徽省的支持。

作者:许齐敏主编:朱舒婷,许齐敏责任编辑:唐文佳

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