中國「墨子號」衛星太空實驗嘗試結合量子力學與廣義相對論

2020-11-25 中國新聞網

中國「墨子號」衛星太空實驗嘗試結合量子力學與廣義相對論

2019-09-20 10:25:52來源:新華網作者:${中新記者姓名}責任編輯:潘力維

2019年09月20日 10:25 來源:新華網

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  新華社北京9月20日電(記者徐海濤、董瑞豐)近期,中國科學技術大學、美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等機構的科學家合作,利用我國「墨子號」量子科學實驗衛星對一類預言引力場導致量子退相干的理論模型進行了實驗檢驗。這也是國際上首次利用量子衛星,在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論理論進行實驗檢驗。北京時間9月20日,國際權威學術期刊《科學》發表了該成果。

  量子力學和廣義相對論是現代物理學的兩大支柱。近百年來,國際科學界試圖融合量子力學和廣義相對論的工作遇到極大困難。在目前已知的四種基本相互作用中,電磁、弱相互作用和強相互作用都已量子化,而且已經統一,唯有關於引力作用的量子化問題一直懸而未決。目前關於如何融合量子力學和引力理論的討論,模型眾多,但都缺乏實驗檢驗。

  近年來,有澳大利亞學者提出了一個「事件形式」理論模型,探討了引力可能導致的量子退相干效應,並提出一個現實可行的試驗方案。該方案預言,糾纏光子對在地球引力場中的傳播,其關聯性會概率性地損失。

  我國發射的全球首顆量子科學實驗衛星「墨子號」正是檢驗這一理論的理想平臺。近期,中國科學技術大學潘建偉教授及其同事彭承志、範靖雲等與美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位的科研工作人員合作,在國際上率先在太空開展引力誘導量子糾纏退相干實驗檢驗,對穿越地球引力場的量子糾纏光子退相干情況展開測試。

  通過一系列精巧的實驗設計和理論分析,他們的實驗令人信服地排除了「事件形式」理論所預言的引力導致糾纏退相干現象;在實驗觀測結果的基礎上,該工作對之前的理論模型進行了修正和完善。修正後的理論表明,在「墨子號」現有500公裡軌道高度下,糾纏退相干現象將表現得比較微弱,為了進一步進行確定性的驗證,未來需要在更高軌道的實驗平臺開展研究。

  據悉,這是國際上首次利用量子衛星在地球引力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗,將極大地推動相關物理學基礎理論和實驗研究。

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    但是,當我們開始思考大問題時(今天要回答的量子力學和廣義相對論能否調和),我們的自信直線下降。量子力學與行星無關嗎?廣義相對論是能量等於質量乘以光速平方倍(E=mc^2)的相對論嗎?運動是相對的還是永恆的?時間是什麼?不要害怕,雖然這個問題很難回答,但是這個問題本身就像解密流行歌手的歌詞一樣簡單。
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    圖1 量子衛星正在實驗中(網絡圖片)2020年8月16日是墨子號量子科學實驗衛星入軌在這個特殊的日子裡回望「墨子號」衛星的經歷也是一件十分有意義的事。2011年,中國科學院空間科學先導專項量子科學實驗衛星工程正式啟動。中科院微小衛星創新研究院負責衛星系統總體,中科院上海技術物理研究所負責量子密鑰通信機、量子糾纏發射機,以及載荷溫控儀等單機研製,中國科學技術大學負責量子糾纏源、量子科學實驗控制與處理機等有效載荷研製,同時負責地面科學應用系統開發與運行。
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    文/史間一壺酒近日,中國科學技術大學教授潘建偉及其同事聯合美國加州理工學院、澳大利亞昆士蘭大學等單位的科研工作人員,在國際上首次利用「墨子號」量子科學實驗衛星對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行了實驗檢驗,取得了重大成就。
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    今天,我們站在了和他們一樣的位置上:2016年8月16日,世界上第一顆量子通信衛星 「墨子號」從酒泉升空了。墨子可能是第一個發現光沿直線傳播的中國人,而「墨子號」則可能改變我們世界中信息傳播的方式。它將第一次在太空中實現最先進也最安全的信息傳送手段——量子通信;這不但是未來覆蓋全球的量子通信網絡的先驅,甚至還有助於進一步驗證量子理論自身的完備性。