“墨子号”首次太空求解

    本报北京9月21日电（记者齐芳）20日凌晨上线的国际学术期刊《科学》在线发布了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人员合作完成的一项成果——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。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。

    我们知道，量子密码之所以安全，就是因为量子纠缠存在遥远距离之间的关联性。那么，引力会不会让纠缠的光子发生变化呢？简单地说，这次实验就是要在一定范围内回答这个问题。

    对科学家而言，这不仅是要解答引力与量子力学之间的关系，更涉及一个所有物理学家都非常关心的根本问题：广义相对论和量子物理是否有大一统的可能性。

    中国科学技术大学教授、试验的主要参与者之一陈宇翱介绍，量子力学和解释引力的广义相对论是现代物理学的两大支柱。它们在各自的领域都取得了巨大成功，但任何试图将它们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。而这次实验，就是多国科学家共同合作，试图在某个层面上将广义相对论和量子物理学放入一个统一理论框架中，并用“墨子号”量子卫星对其中一种理论进行了实验检验。

    在引力与量子力学的问题上，理论物理学家曾经提出了多种解释，但都缺乏实验检验——一个主要的原因是难以达到所需要的极端实验条件。于是，理论物理学家更进一步，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就提出一个“事件形式”理论模型。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。

    量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。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。潘建伟说：“我们排除了‘事件形式’较强的理论模型，但还有其他版本的理论模型有待检验。”

    这个试验只是开始，潘建伟说：“经过修正后的理论模型是否正确仍然悬而未决。”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。潘建伟介绍，团队将发射一颗新的卫星，预计它的轨道将比“墨子号”高20到60倍，其中一项科学实验任务就是能够在理论预言更强的纠缠退相干范围内进行检验。