中國科學(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”量子科學(xué)實(shí)驗衛星對一類(lèi)預言引力場(chǎng)導致量子退相干的理論模型進(jìn)行了實(shí)驗檢驗。2019 年 9 月 19 日，國際權威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線(xiàn)發(fā)布了該重要研究成果。

　　量子力學(xué)和廣義相對論是現代物理學(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、弱相互作用和強相互作用都已量子化，而且已經(jīng)統一。唯有關(guān)于引力作用的量子化問(wèn)題一直懸而未決，解決這一問(wèn)題將有助于建立關(guān)于四種基本相互作用的大統一理論。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)驗檢驗。一個(gè)主要的原因是由于這些理論模型的預言都需要目前難以達到的極端實(shí)驗條件，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)數量級)，或者是極高能標 1019GeV(而當前能標最高的大型強子對撞機如 LHC 也只能將質(zhì)子的能量提升至 10 4GeV 量級)。

　　近年來(lái)，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)驗驗證的新機制，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，探討了引力可能導致的量子退相干效應，并提出一個(gè)現實(shí)可行的試驗方案。該方案預言，糾纏光子對在地球引力場(chǎng)中的傳播， 其關(guān)聯(lián)性會(huì )概率性地損失。假設在地球表面制備了一對糾纏光子對，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(guò)地球引力場(chǎng)傳播到衛星。依據現有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性;而依據“事件形式”理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì )概率性地受到損失。

　　量子衛星正是檢驗這一理論的理想平臺?；诘匦侵g的量子態(tài)分發(fā)，潘建偉團隊已經(jīng)開(kāi)展了一系列創(chuàng )新性的實(shí)驗研究。2016 年 8 月 16 日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗衛星“墨子號”。至 2017 年 8 月，“墨子號”圓滿(mǎn)完成三大既定的科學(xué)目標：千公里級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”量子科學(xué)實(shí)驗衛星的前期實(shí)驗工作和技術(shù)積累，本研究在國際上率先在太空開(kāi)展引力誘導量子糾纏退相干實(shí)驗檢驗，對穿越地球引力場(chǎng)的量子糾纏光子退相干情況展開(kāi)測試。最終，通過(guò)一系列精巧的實(shí)驗設計和理論分析，本次實(shí)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干現象;在實(shí)驗觀(guān)測結果的基礎上，該工作對之前的理論模型進(jìn)行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號”現有 500 公里軌道高度下，糾纏退相干現象將表現得比較微弱。為了進(jìn)一步進(jìn)行確定性的驗證，未來(lái)需要在更高軌道的實(shí)驗平臺開(kāi)展研究。

　　這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場(chǎng)中對嘗試融合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進(jìn)行實(shí)驗檢驗，將極大地推動(dòng)相關(guān)物理學(xué)基礎理論和實(shí)驗研究。

　　該研究工作得到了中科院、國家自然科學(xué)基金委、科技部、教育部、安徽省等的支持。
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