任何“意想不到”的結(jié)果都將預(yù)示我們對于現(xiàn)有量子力學(xué)、引力理論的理解需要做出重大修正。
延時攝影下的阿里地面站望遠(yuǎn)鏡，用于與墨子號進(jìn)行量子通信。
撰文 | 小賽&小墨
描述微觀世界的量子力學(xué)和描述引力場的廣義相對論是現(xiàn)代物理學(xué)的兩大支柱。但在目前，這兩種理論還難以“和諧共存”?？茖W(xué)家進(jìn)行了許多嘗試，希望在它們之間架起橋梁，并為此提出了多種理論模型。然而，這些模型的驗證需要在極端實驗條件下才能進(jìn)行，比如，極微小尺度——10-35米，比電子半徑10-15米還小了20個數(shù)量級；或者極高能量——約1016TeV，比當(dāng)前最“高能”的大型強(qiáng)子對撞機(jī)LHC還高了15個數(shù)量級。目前的地面探測技術(shù)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法達(dá)到檢驗?zāi)Ｐ退璧膶嶒灄l件。為此，實驗物理學(xué)家需要尋找一些新的途徑。近年來，澳大利亞物理學(xué)家Ralph等人提出了一個“事件形式”理論模型，認(rèn)為引力可能導(dǎo)致量子糾纏發(fā)生退相干現(xiàn)象。他們預(yù)言這一現(xiàn)象可以通過地星之間的糾纏分發(fā)進(jìn)行檢測[1]。 量子科學(xué)實驗衛(wèi)星正是檢驗這一理論的理想平臺。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉教授及其同事彭承志、范靖云等與美國加州理工學(xué)院、澳大利亞昆士蘭大學(xué)等單位的科研工作人員合作，利用“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星對這類模型進(jìn)行了實驗檢驗。這是國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)系的量子光學(xué)實驗研究。2019年9月19日，國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》雜志第一時間（First Release）在線發(fā)布了這一研究成果。
時間機(jī)器也需“限行”
“事件形式”理論模型雖然聽名字非?；逎?，但它的來歷頗有意思。廣義相對論預(yù)言了一類奇異的時空結(jié)構(gòu)，這種時空結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)違背因果性的行為——回到過去，如同科幻小說中的“時間機(jī)器”。而在量子引力理論中，這類時空結(jié)構(gòu)尤為重要，因為該結(jié)構(gòu)在原則上可以由量子引力的時空幾何漲落形成。但是時間機(jī)器對因果律的破壞將引起許多邏輯悖論。
為避免這一問題，已故的美國著名物理學(xué)家Polchinski最早提出了理論解決方案。他指出，經(jīng)典物體在這類時空結(jié)構(gòu)中存在一種特殊、自洽的演化過程，不會產(chǎn)生邏輯悖論。美國物理學(xué)家Politzer和英國物理學(xué)家Deutsch等人對該理論進(jìn)行了推廣，研究了量子態(tài)在這類時空結(jié)構(gòu)中的自洽演化行為[2,3]。
在此基礎(chǔ)上，Ralph, Milburn和Downes進(jìn)一步提出了一個被稱為“事件形式” （event formalism）的理論[4]，該理論認(rèn)為，量子態(tài)在奇異時空和平直時空中的演化是不同的，并預(yù)言地星之間分發(fā)的糾纏光子對會發(fā)生退相干現(xiàn)象。
具體來講，假設(shè)在地球表面制備了一對糾纏光子對，其中一個光子穿過局域平直時空，在光源附近的地表傳播；而另一個光子穿過地球引力場形成的彎曲時空，傳播到衛(wèi)星。依據(jù)現(xiàn)有的量子力學(xué)理論，所有糾纏光子對將保持糾纏特性；而依據(jù)“事件形式”理論，糾纏光子對之間的關(guān)聯(lián)性則會概率性地受到損失。
“墨子號”發(fā)威
那么，該如何檢驗“事件形式”理論呢？“墨子號”量子科學(xué)實驗衛(wèi)星提供了理想的平臺。
2016年8月16日，我國發(fā)射了世界首顆量子科學(xué)實驗衛(wèi)星“墨子號”。到了2017年8月，“墨子號”圓滿完成三大既定的科學(xué)目標(biāo)：千公里級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)。
在本次實驗中，研究人員制備并利用衛(wèi)星測量了兩個糾纏粒子，通過一系列精巧的實驗設(shè)計和理論分析，令人信服地排除了以往的“事件形式”理論所預(yù)言的引力導(dǎo)致糾纏退相干現(xiàn)象。
檢測引力致糾纏退相干現(xiàn)象的實驗示意圖。
基于這次實驗觀測結(jié)果，研究人員對原有的理論模型進(jìn)行了修正和完善。修正后的理論表明，在“墨子號”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)行確定性的驗證，未來需要在更高軌道的實驗平臺開展研究[5]。
為了檢驗新版本的“事件形式”，潘建偉團(tuán)隊計劃利用中高軌衛(wèi)星，在更大的引力強(qiáng)度范圍內(nèi)開展測試。中高軌衛(wèi)星的軌道預(yù)計將比“墨子號”高20到60倍。
研究團(tuán)隊表示：“科學(xué)研究的一個美妙之處在于‘意想不到’。我們可以運用標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)對于這一場景做出預(yù)測，但是對于可能的實驗結(jié)果持開放態(tài)度。任何‘意想不到’的結(jié)果都將預(yù)示我們對于現(xiàn)有量子力學(xué)、引力理論的理解需要做出重大修正。雖然在這個實驗里，在實驗精度范圍內(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。這是對于研究量子力學(xué)和引力理論關(guān)系的一個有積極意義的進(jìn)展?！?/section>
參考資料
[1] S. K. Joshi, et al., Space quest mission proposal: experimentally testing decoherence due to gravity. New J. Phys. 20, 063016 (2018).
[2] H. D. Politzer, Simple quantum systems with closed timelike curves. Phys. Rev. D 46,
4470-4476 (1992).
[3] D. Deutsch, Quantum mechanics near closed timelike lines. Phys. Rev. D 44, 3197–3217 (1991).
[4] T. C. Ralph, G. J. Milburn, T. Downes, Quantum connectivity of space-time and gravitationally induced decorrelation of entanglement. Phys. Rev. A 79, 022121 (2009).
[5] https://science.sciencemag.org/content/early/2019/09/18/science.aay5820
