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“墨子号”首次太空求解

2019-11-03 12:54:34    点击: 4092
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中新网9月21日电(记者齐芳)——20日早些时候上线的国际学术期刊《科学》在网上发布了由中国科技大学潘建伟教授及其同事彭承志和范景云与来自加州理工学院和澳大利亚昆士兰大学的研究人员合作完成的一项成果。“墨子”量子科学实验卫星被用来测试预测重力场引起的量子退相干的理论模型。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。

我们知道量子密码术安全的原因是量子纠缠与长距离有关。那么,重力会改变纠缠光子吗?简而言之,这个实验是在一定范围内回答这个问题。

对科学家来说,这不仅是为了解决重力和量子力学之间的关系,还涉及到一个所有物理学家都非常关心的基本问题:广义相对论和量子物理之间是否有统一的可能性。

中国科技大学教授、该实验的主要参与者之一陈玉傲说,解释重力的量子力学和广义相对论是现代物理学的两大支柱。他们在各自的领域取得了巨大的成功,但是任何试图整合他们的理论工作都将遇到巨大的困难——在目前已知的四种基本相互作用中,电磁的、弱的和强的相互作用已经被量子化和统一,只有引力效应的量子化尚未解决。然而,这个实验是来自许多国家的科学家共同努力,将广义相对论和量子物理学放入一定水平的统一理论框架,并用墨子量子卫星对其中一个理论进行实验测试。

理论物理学家对引力和量子力学问题提出了许多解释,但都缺乏实验测试——主要原因之一是很难达到所需的极端实验条件。因此,理论物理学家进一步探索了一些新的机制,这些机制可能在当前的实际条件下通过实验得到验证。例如,澳大利亚物理学家提出了“事件形式”的理论模型。该方案预测在地球引力场中传播的纠缠光子对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。由于“墨子”量子科学实验卫星先前的实验工作和技术积累,这项研究是世界上第一次在空间进行重力诱导量子纠缠退相干实验,并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。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,在墨子500公里的当前轨道高度上,纠缠退相干现象相对较弱。潘建伟说:“我们已经排除了更强有力的‘事件形式’理论模型,但还有其他版本的理论模型有待检验。”

这个实验只是开始。潘建伟说:“修订后的理论模型是否正确仍悬而未决。”为了进一步验证这一确定性,未来的研究需要在较高轨道的实验平台上进行。潘建伟表示,该团队将发射一颗新卫星,其轨道预计比墨子高20至60倍。科学实验任务之一是能够用更强的理论预测在纠缠退相干范围内测试它。