连续两年献礼校庆 | 中国科大潘建伟团队利用“墨子号”量子科学实验卫星率先开展引力诱导量子纠缠退相干实验检验

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。2019年9月19日，国际权威学术期刊《科学》杂志以“First Release”形式在线发布了该重要研究成果。

量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。然而，任何试图将量子力学和广义相对论进行融合的理论工作都遇到极大困难。在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量子化，而且已经统一。唯有关于引力作用的量子化问题一直悬而未决，解决这一问题将有助于建立关于四种基本相互作用的大统一理论。目前关于如何融合量子力学和引力理论的讨论，模型众多，但都缺乏实验检验。一个主要的原因是由于这些理论模型的预言都需要目前难以达到的极端实验条件，比如在极小空间尺度10-35米（比电子半径10-15米还小了20个数量级），或者是极高能标 1019GeV（而当前能标最高的大型强子对撞机如LHC也只能将质子的能量提升至10 4GeV量级）。

近年来，理论物理学家探讨了一些在目前实际条件下可能进行实验验证的新机制，比如，澳大利亚物理学家Ralph等提出一个“事件形式”理论模型，探讨了引力可能导致的量子退相干效应，并提出一个现实可行的试验方案。该方案预言，纠缠光子对在地球引力场中的传播， 其关联性会概率性地损失。假设在地球表面制备了一对纠缠光子对，其中一个光子在光源附近的地表传播；而另一个光子穿过地球引力场传播到卫星。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。

检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图

实验场景，地面为了提高信号光强度，采用三台设备联合工作，照片中有两台望远镜同时向卫星发射信标光

量子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的实验研究。2016年8月16日，我国发射了世界首颗量子科学实验卫星“墨子号”。至2017年8月，“墨子号”圆满完成三大既定的科学目标：千公里级地星双向量子纠缠分发、地星量子密钥分发和地星量子隐形传态，三项工作成果分别发表于《科学》杂志[Science 356, 1140 (2017)]和《自然》杂志[Nature 549, 43 (2017)；Nature 549, 70 (2017)]。

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，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；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。为了进一步进行确定性的验证，未来需要在更高轨道的实验平台开展研究。

用于与墨子号进行量子通信的阿里地面站望远镜

延时摄影下的阿里地面站望远镜，用于与墨子号进行量子通信

这是国际上首次利用量子卫星在地球引力场中对尝试融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。

该研究工作得到了中科院、国家自然科学基金委、科技部、教育部、安徽省等的支持。

论文链接：https://science.sciencemag.org/lookup/doi/10.1126/science.aay5820

实验工作者以及阿里地面站与墨子号的星地对接场景,从左至右 韩玄、雍海林、任继刚和徐凭

延伸阅读

登《自然》正刊：中国科大随机数研究取得新突破

2018年9月20日，中国科大潘建伟教授团队及合作者在国际上首次成功实现器件无关的量子随机数。相关成果于北京时间9月20日凌晨在线发表在国际权威学术期刊《自然》杂志上。这项突破性成果将在数值模拟和密码学等领域得到广泛的应用，有望形成新的随机数国际标准。

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文字、图片：

合肥微尺度物质科学国家研究中心

中科院量子信息与量子科技创新研究院

科研部

本期编辑：黄熠