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“墨子号”又立功!率先检验引力如何影响量子纠缠

2019-12-03 08:55:38   【浏览】3977

摘要:中国科学技术大学潘建伟教授及其同事彭承志、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的科研工作人员合作,利用“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。

实验场景(由中国科技大学提供)

人民网北京9月20日电(赵朱庆)中国“墨子”量子科学卫星再次取得重要成就。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科研人员合作,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。

国际权威学术期刊《科学》19日在网上发布了研究结果。这是世界上第一次用量子卫星在地球重力场中测试量子力学和广义相对论相结合的理论,这将极大地促进相关物理的基础理论和实验研究。

“墨子的先进技术促成了量子光学实验的成功运用,在人类历史上第一次完成了量子理论与重力之间的基础理论验证,”论文的作者、中国科技大学副校长、中国科学院量子信息与量子科技创新研究所所长潘建伟说。

众所周知,量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。希望统一这两种理论是全世界物理学家都非常关注的问题。在目前已知的四种基本相互作用中,电磁学、弱相互作用和强相互作用都被“量化”。只有引力相互作用的量子化仍然悬而未决。虽然有许多相关的理论模型,但它们都受到实验条件的限制,尚未得到验证。

近年来,理论物理学家探索了一些更容易验证的新理论机制,如澳大利亚物理学家拉尔夫(ralph)等人提出的称为“事件形式”的理论模型,该理论认为量子态的演化在奇异时空和直线时空中是不同的,并预测了分布在地球恒星之间的纠缠光子对的退相干。假设在地球表面准备了一对纠缠光子对,一个光子穿过局部平坦时空,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形成的弯曲时空并传播到卫星。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。

量子科学实验卫星是检验这一理论的理想平台。在墨子前期工作的基础上,本研究首次在空间进行重力诱导量子纠缠退相干实验,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。

同时,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,纠缠退相干现象在当前500公里的轨道高度将很弱,因此无法得到明确的验证,未来需要在较高轨道的实验平台上进行进一步的验证。

“我们排除了具有强烈‘事件形式’的理论模型,但修正后的理论模型是否正确仍悬而未决。”潘建伟说道。为了测试修正后的理论模型,潘建伟和他的团队将发射一颗新的卫星,其轨道将比墨子的轨道高20到60倍,可以在更大范围的重力强度下进行测试。

(编辑:李钱强和高红霞)

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