任何“意想不到”的结果都将预示我们对于现有量子力学、引力理论的理解需要做出重大修正。
延时摄影下的阿里地面站望远镜，用于与墨子号进行量子通信。
撰文 | 小赛&小墨
描述微观世界的量子力学和描述引力场的广义相对论是现代物理学的两大支柱。但在目前，这两种理论还难以“和谐共存”。科学家进行了许多尝试，希望在它们之间架起桥梁，并为此提出了多种理论模型。然而，这些模型的验证需要在极端实验条件下才能进行，比如，极微小尺度——10-35米，比电子半径10-15米还小了20个数量级；或者极高能量——约1016TeV，比当前最“高能”的大型强子对撞机LHC还高了15个数量级。目前的地面探测技术，远远无法达到检验模型所需的实验条件。为此，实验物理学家需要寻找一些新的途径。近年来，澳大利亚物理学家Ralph等人提出了一个“事件形式”理论模型，认为引力可能导致量子纠缠发生退相干现象。他们预言这一现象可以通过地星之间的纠缠分发进行检测[1]。 量子科学实验卫星正是检验这一理论的理想平台。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工作人员合作，利用“墨子号”量子科学实验卫星对这类模型进行了实验检验。这是国际上首次在太空中利用卫星开展的关于量子力学和引力理论关系的量子光学实验研究。2019年9月19日，国际权威学术期刊《科学》杂志第一时间（First Release）在线发布了这一研究成果。
时间机器也需“限行”
“事件形式”理论模型虽然听名字非常晦涩，但它的来历颇有意思。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性的行为——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，已故的美国著名物理学家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[2,3]。
在此基础上，Ralph, Milburn和Downes进一步提出了一个被称为“事件形式” （event formalism）的理论[4]，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，并预言地星之间分发的纠缠光子对会发生退相干现象。
具体来讲，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。
“墨子号”发威
那么，该如何检验“事件形式”理论呢？“墨子号”量子科学实验卫星提供了理想的平台。
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”。到了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。
在本次实验中，研究人员制备并利用卫星测量了两个纠缠粒子，通过一系列精巧的实验设计和理论分析，令人信服地排除了以往的“事件形式”理论所预言的引力导致纠缠退相干现象。
检测引力致纠缠退相干现象的实验示意图。
基于这次实验观测结果，研究人员对原有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[5]。
为了检验新版本的“事件形式”，潘建伟团队计划利用中高轨卫星，在更大的引力强度范围内开展测试。中高轨卫星的轨道预计将比“墨子号”高20到60倍。
研究团队表示：“科学研究的一个美妙之处在于‘意想不到’。我们可以运用标准量子力学对于这一场景做出预测，但是对于可能的实验结果持开放态度。任何‘意想不到’的结果都将预示我们对于现有量子力学、引力理论的理解需要做出重大修正。虽然在这个实验里，在实验精度范围内没有出现‘意想不到’。但是，我们排除了一类引力引起的量子退相干模型。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。”
参考资料
[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
