量子糾纏？

量子退相干？

其實(shí)要弄懂它們，并不難

我們來(lái)做這樣一個(gè)比喻

把糾纏在一起的兩個(gè)粒子

比作一對(duì)熱戀中的情侶

此時(shí)，他們纏綿在一起，

你心中有我，我心中有你。

即使遠(yuǎn)隔千里，

仍然互相思念著對(duì)方。

這就是量子糾纏。

接下來(lái)假設(shè)

這對(duì)情侶對(duì)彼此的思念是可以量化的，

比如，他們處在熱戀期，

對(duì)彼此的思念都是100分。

然而，不幸地是，

男方身邊最近出現(xiàn)了一位美女，

他們之間聊的很好，

漸漸地男方對(duì)這位女子有了感覺。

那么，新出現(xiàn)的美女

就對(duì)這對(duì)情侶之間的纏綿造成了干擾。

隨著時(shí)間推移，

退相干相當(dāng)于男方對(duì)女友的感覺逐漸淡化，

此時(shí)這對(duì)情侶的思念就成了慢慢減少。

最后，男方提出分手，

那么這對(duì)情侶就沒有了糾纏。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)等國(guó)內(nèi)外研究人員合作，利用“墨子號(hào)”量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星對(duì)一類預(yù)言引力場(chǎng)導(dǎo)致量子退相干的理論模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。這是國(guó)際上首次利用量子衛(wèi)星在地球引力場(chǎng)中對(duì)嘗試結(jié)合量子力學(xué)與廣義相對(duì)論的理論進(jìn)行實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)。相關(guān)研究成果于北京時(shí)間9月20日在《科學(xué)》雜志上以“First Release”形式在線發(fā)表。

量子力學(xué)和引力理論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。他們?cè)诟髯缘念I(lǐng)域都取得了巨大成功。但是任何試圖將他們?nèi)诤系睦碚摴ぷ鞫加龅綐O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(wèn)題一直懸而未決，解決、或?qū)τ谶@一問(wèn)題的正確理解將有助于建立關(guān)于四種基本相互作用的大統(tǒng)一理論。這是物理學(xué)界包括愛因斯坦在內(nèi)的眾多科學(xué)家所關(guān)心的最為重要的問(wèn)題之一。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，地面為了提高信號(hào)光強(qiáng)度，采用三臺(tái)設(shè)備聯(lián)合工作，照片中有兩臺(tái)望遠(yuǎn)鏡同時(shí)向衛(wèi)星發(fā)射信標(biāo)光。

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)，無(wú)法驗(yàn)證，嚴(yán)重阻礙了科學(xué)的發(fā)展。一個(gè)主要的原因是因?yàn)檫@些理論模型的預(yù)言都只能在極端實(shí)驗(yàn)條件下檢驗(yàn)，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(gè)數(shù)量級(jí)，或者是極高能標(biāo)1016TeV，而當(dāng)前大型強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)如LHC也只能將質(zhì)子的能量提升至10 TeV量級(jí)，這些都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出目前可以到達(dá)到的實(shí)驗(yàn)條件。

廣義相對(duì)論預(yù)言了一類奇異的時(shí)空結(jié)構(gòu)，這種時(shí)空結(jié)構(gòu)會(huì)出現(xiàn)違背因果律的行為——回到過(guò)去，如同科幻小說(shuō)中的“時(shí)間機(jī)器”。而在量子引力理論中這類時(shí)空結(jié)構(gòu)尤為重要，因?yàn)樵摻Y(jié)構(gòu)在原則上可以由量子引力的時(shí)空幾何漲落形成。

但是時(shí)間機(jī)器對(duì)因果律的破壞將引起許多邏輯悖論，為避免這一問(wèn)題，美國(guó)著名物理學(xué)家Polchinski最早提出了理論解決方案。他指出，經(jīng)典物體在這類時(shí)空結(jié)構(gòu)中存在一種特殊、自洽的演化過(guò)程，不會(huì)產(chǎn)生邏輯悖論。美國(guó)物理學(xué)家Politzer和英國(guó)物理學(xué)家Deutsch等人對(duì)該理論進(jìn)行了推廣，研究了量子態(tài)在這類時(shí)空結(jié)構(gòu)中的自洽演化行為。

用于與墨子號(hào)進(jìn)行量子通信的阿里地面站望遠(yuǎn)鏡

在此基礎(chǔ)上，澳大利亞物理學(xué)家拉夫等人進(jìn)一步提出了一個(gè)被稱為“事件形式” 的理論，該理論認(rèn)為量子態(tài)在奇異時(shí)空和平直時(shí)空中的演化是不同的，引力可能導(dǎo)致量子糾纏態(tài)發(fā)生退相干現(xiàn)象，并預(yù)言地星之間分發(fā)的糾纏光子對(duì)會(huì)發(fā)生退相干現(xiàn)象。

假設(shè)在地球表面制備了一對(duì)糾纏光子對(duì)，其中一個(gè)光子穿過(guò)局域平直時(shí)空，在光源附近的地表傳播；而另一個(gè)光子穿過(guò)地球引力場(chǎng)形成的彎曲時(shí)空，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(duì)將保持糾纏特性；而依據(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對(duì)之間的關(guān)聯(lián)性則會(huì)概率性地受到損失。

實(shí)驗(yàn)工作者以及阿里地面站與墨子號(hào)的星地對(duì)接場(chǎng)景

量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星正是檢驗(yàn)這一理論的理想平臺(tái)。對(duì)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(guó)發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實(shí)驗(yàn)衛(wèi)星“墨子號(hào)”。至2017年8月，“墨子號(hào)”圓滿完成三大既定的科學(xué)目標(biāo)：千公里級(jí)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)。

得益于“墨子號(hào)”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(guó)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(duì)穿越地球引力場(chǎng)的量子糾纏光子退相干情況展開測(cè)試。最終，通過(guò)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)令人信服的排除了以往的“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(cè)結(jié)果的基礎(chǔ)上，該工作對(duì)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(hào)”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(lái)需要在更高軌道的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開展研究。

延時(shí)攝影下的阿里地面站望遠(yuǎn)鏡，用于與墨子號(hào)進(jìn)行量子通信

這是國(guó)際上首次在太空中利用衛(wèi)星開展的關(guān)于量子力學(xué)和引力理論關(guān)系的實(shí)驗(yàn)研究，具有指標(biāo)性、引領(lǐng)性意義，將極大地推動(dòng)相關(guān)的理論和實(shí)驗(yàn)研究活動(dòng)。

科學(xué)研究的一個(gè)美妙之處在于“意想不到”。

“我們可以運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)對(duì)于這一場(chǎng)景做出預(yù)測(cè)，但是對(duì)于可能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果持開放態(tài)度。任何‘意想不到’的結(jié)果都將預(yù)示我們對(duì)于現(xiàn)有量子力學(xué)、引力理論的理解需要做出重大修正?！迸私▊フf(shuō)道，雖然在這個(gè)實(shí)驗(yàn)里，在實(shí)驗(yàn)精度范圍內(nèi)沒有出現(xiàn)“意想不到”，但是我們排除了一類引力引起的量子退相干模型。這是對(duì)于研究量子力學(xué)和引力理論關(guān)系的一個(gè)有積極意義的進(jìn)展。