科学家首次利用卫星开展量子纠缠退相干实验检验

日期：2019年10月16日　07:51

来源：科技部
　　
近期，来自中国科学技术大学、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。
　　
目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论尚缺乏实验检验。本研究在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。最终，通过一系列精巧的实验设计和理论分析，本次实验令人信服地排除了引力导致纠缠退相干现象。在实验观测结果的基础上，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。这是国际上首次利用卫星，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，将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。相关研究得到了量子调控与量子信息重点专项的支持。

检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图

#墨科技# 爱因斯坦的电梯实验（续）——若处在地球引力场作用下的电梯以加速度g自由下落，则作用于电梯内所有物体的引力和惯性力平衡，物体可以在电梯内任何地方漂浮，电梯内的观测者可以在电梯地板上步行，也可以在电梯的墙壁或顶部步行，即电梯中的观测者“看不到”任何引力作用的迹象。如果观测者知道电梯在引力作用下作自由落体运动，那么电梯内的现象可看作是引力和惯性力平衡的结果。若设想同样一部电梯处在无引力作用的空间，并让电梯相对某个惯性系静止，则电梯内的现象可看作是不受重力作用而处在惯性状态的结果。但是对于封闭电梯中的观测者而言，如果他事先不知道电梯是在地球的引力作用下自由下落，还是电梯静止在无引力作用的空间，仅根据电梯内的力学实验，他无法判断电梯是受引力作用而作加速运动，还是静止在无引力的空间。

电梯内的理想实验表明：在一个参考系内的观测者无法通过力学实验来判断该区域中存在引力场还是参考系本身在作加速运动，也无法区别该区域中无引力场存在还是存在某个引力场而参考系本身又在作加速运动。一个相对惯性系以恒定加速度运动的参考系和在均匀的引力场中静止的惯性系是完全等效的，这就是广义#相对论# 的等效原理。

参考资料：《力学》，郑永令等

【“墨子号”量子卫星再立新功】近日，记者从中国科大获悉，潘建伟团队与美国、澳大利亚科学家合作，利用“墨子号”对一类预言引力场导致量子退相干的理论模型进行实验检验。
国际权威学术期刊《科学》杂志在线发布了该研究成果。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，将极大地推动相关物理学基础理论和实验研究。
量子力学和广义相对论是现代物理学两大支柱。将这两大理论统一起来，科学家多年来进行了许多尝试，提出了多种理论模型。但是这些模型的验证需要在目前难以达到的极端实验条件下才能进行，比如，极小空间尺度或者极高能量。近年来，一些理论研究认为在引力场中演化的量子态会出现新奇的行为，并预言这些行为可以通过地星之间的纠缠分发进行检验。
量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。基于地星之间的量子态分发，潘建伟团队已经开展了一系列创新性实验研究。得益于“墨子号”量子科学实验卫星的前期实验工作和技术积累，潘建伟团队在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。最终，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。
同时，在实验观测结果的基础上，该工作又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”当前所在的500公里轨道高度下，纠缠退相干现象将表现得比较微弱，因而无法得到明确验证，未来还需要在更高轨道的实验平台上开展进一步验证。据悉，潘建伟和他的团队将发射一颗新的卫星，其轨道将比“墨子号”高20到60倍，能够在更大的引力强度范围内进行检验。 （记者 黎静）