“墨子號”量子衛(wèi)星取得研究新進展
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)實驗衛(wèi)星對一類預(yù)言引力場導(dǎo)致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。2019年9月19日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志以“First Release”形式在線發(fā)布了該重要研究成果。 ?Z"<&tsZ
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圖：檢測引力致糾纏退相干現(xiàn)象的實驗示意圖 SsQg8d
量子力學(xué)和廣義相對論是現(xiàn)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(tǒng)一。唯有關(guān)于引力作用的量子化問題一直懸而未決，解決這一問題將有助于建立關(guān)于四種基本相互作用的大統(tǒng)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，但都缺乏實驗檢驗。一個主要的原因是由于這些理論模型的預(yù)言都需要目前難以達到的極端實驗條件，比如在極小空間尺度10-35米（比電子半徑10-15米還小了20個數(shù)量級），或者是極高能標 1019GeV（而當(dāng)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）。 F+?g0w['
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近年來，理論物理學(xué)家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(xué)家Ralph等提出一個“事件形式”理論模型，探討了引力可能導(dǎo)致的量子退相干效應(yīng)，并提出一個現(xiàn)實可行的試驗方案。該方案預(yù)言，糾纏光子對在地球引力場中的傳播， 其關(guān)聯(lián)性會概率性地損失。假設(shè)在地球表面制備了一對糾纏光子對，其中一個光子在光源附近的地表傳播；而另一個光子穿過地球引力場傳播到衛(wèi)星。依據(jù)現(xiàn)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(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會概率性地受到損失。 zl@hg<n
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量子衛(wèi)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)開展了一系列創(chuàng)新性的實驗研究。2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。至2017年8月，“墨子號”圓滿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）]。 g5~wdhpb
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得益于“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星的前期實驗工作和技術(shù)積累，本研究在國際上率先在太空開展引力誘導(dǎo)量子糾纏退相干實驗檢驗，對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況展開測試。最終，通過一系列精巧的實驗設(shè)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(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象；在實驗觀測結(jié)果的基礎(chǔ)上，該工作對之前的理論模型進行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號”現(xiàn)有500公里軌道高度下，糾纏退相干現(xiàn)象將表現(xiàn)得比較微弱。為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臺開展研究。 JI|MR #_u
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這是國際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場中對嘗試融合量子力學(xué)與廣義相對論的理論進行實驗檢驗，將極大地推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實驗研究。 9NausE40
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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。（來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)）
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