“墨子号”又立功！率先检验引力如何影响量子纠缠

实验场景（中国科学技术大学供图）

我国“墨子号”量子科学卫星再获重要成果。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。

国际权威学术期刊《科学》杂志19日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。

论文通讯作者、中国科大副校长、中科院量子信息与量子科技创新研究院院长潘建伟表示：“‘墨子号’的先进技术促成了人类历史上第一次成功地利用量子光学实验方式完成了量子理论和引力之间的基础理论验证。”

据了解，量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。希望将这两大理论统一起来，是全球物理学家都密切关注的事情。目前已知的四种基本相互作用中，电磁、弱相互作用和强相互作用都已实现了“量子化”，唯有关于引力作用的量子化问题一直悬而未决。虽然相关的理论模型已有不少，但一直受限于实验条件而未能得到检验。

近年来，理论物理学家探讨了一些更容易被验证的新理论机制，比如澳大利亚物理学家Ralph等人提出的被称为“事件形式”的理论模型。该理论认为量子态在奇异时空和平直时空中的演化是不同的，并预言地星之间分发的纠缠光子对会发生退相干现象。假设在地球表面制备了一对纠缠光子对，其中一个光子穿过局域平直时空，在光源附近的地表传播；而另一个光子穿过地球引力场形成的弯曲时空，传播到卫星。依据现有的量子力学理论，所有纠缠光子对将保持纠缠特性；而依据“事件形式”理论，纠缠光子对之间的关联性则会概率性地受到损失。

量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。基于墨子号的前期工作，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“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。

“我们排除了‘事件形式’较强的理论模型，但是经过修正后的理论模型是否正确仍然悬而未决。”潘建伟说。为了测试这个修正版的理论模型，潘建伟和他的团队将发射一颗新的卫星，它的轨道将比“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。