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(yàn)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(jìn)行了實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。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。

　　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(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(qiáng)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。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(dá)到的極端實(shí)驗(yàn)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(biāo) 1019GeV(而當(dāng)前能標(biāo)最高的大型強(qiáng)子對撞機(jī)如 LHC 也只能將質(zhì)子的能量提升至 10 4GeV 量級)。

　　近年來，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(yàn)驗(yàn)證的新機(jī)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(shí)可行的試驗(yàn)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?fù)p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。

　　量子衛(wèi)星正是檢驗(yàn)這一理論的理想平臺。基于地星之間的量子態(tài)分發(fā)，潘建偉團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開展了一系列創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(biāo)：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(xiàng)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(yàn)衛(wèi)星的前期實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和理論分析，本次實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)觀測結(jié)果的基礎(chǔ)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(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(jìn)一步進(jìn)行確定性的驗(yàn)證，未來需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺開展研究。

　　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(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)，將極大地推動相關(guān)物理學(xué)基礎(chǔ)理論和實(shí)驗(yàn)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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