10-15米还小了20个数量级,或者是极高能标
1016TeV(万亿电子伏),而当前大型强子对撞机如LHC也只能将质子的能量提升至10TeV量级,这些都远远超出目前可以到达到的实验条件。
量子科学实验卫星是绝佳的检验平台
广义相对论预言了一类奇异的时空结构,这种时空结构会出现违背因果律的行为——回到过去,如同科幻小说中的“时间机器”。而在量子引力理论中这类时空结构尤为重要,因为该结构在原则上可以由量子引力的时空几何涨落形成。
但是时间机器对因果律的破坏将引起许多逻辑悖论,为避免这一问题,美国著名物理学家Polchinski最早提出了理论解决方案。他指出,经典物体在这类时空结构中存在一种特殊、自洽的演化过程,不会产生逻辑悖论。美国物理学家Politzer和英国物理学家Deutsch等人对该理论进行了推广,研究了量子态在这类时空结构中的自洽演化行为。
用于与墨子号进行量子通信的阿里地面站望远镜
在此基础上,澳大利亚物理学家拉夫等人进一步提出了一个被称为“事件形式” (event formalism)的理论,该理论认为量子态在奇异时空和平直时空中的演化是不同的,引力可能导致量子纠缠态发生退相干现象,并预言地星之间分发的纠缠光子对会发生退相干现象。
假设在地球表面制备了一对纠缠光子对,其中一个光子穿过局域平直时空,在光源附近的地表传播;而另一个光子穿过地球引力场形成的弯曲时空,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。
实验工作者以及阿里地面站与墨子号的星地对接场景
量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台,对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。
这是对于研究量子力学和引力理论关系的一个有积极意义的进展
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,本次实验令人信服的排除了以往的“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。