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2019-09-26
物理系林豐利教授參與跨國團隊 研究成果榮登《科學》
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實驗場景(中國科學技術大學提供)
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國立臺灣師範大學物理系與中國科學技術大學、加州理工學院、昆士蘭大學等單位科學研究人員合作,基於「墨子號」量子科學實驗衛星和西藏阿里地面站,對一類預言重力場導致量子退相干 (quantum decoherence) 的理論模型進行實驗驗證,這是國際上首次利用量子衛星在地球重力場中對嘗試結合量子力學與廣義相對論的理論進行實驗檢驗。2019年9月19日,該研究成果發表於國際權威學術期刊《科學》。

臺師大物理系林豐利教授於2017年訪問加州理工學院時,以他在重力與量子資訊理論領域的豐富研究經驗,參與了此計畫中的理論工作,協助完善相關理論模型。以下簡述研究脈絡與成果。

描述微觀世界的量子力學和描述重力場的廣義相對論是現代物理學的兩大理論支柱。相關學者對量子化重力場已進行許多嘗試,並提出多種理論模型。但這些模型往往需要在極其微小的尺度上進行驗證,遠遠超過當前的技術水平。所以如何突破技術障礙來驗證重力的量子化效應,是一大挑戰。近年來有理論指出,重力效應可能導致量子糾纏態 (quantum entangled state) 發生退相干現象,並且該現象通過利用低軌衛星進行地星之間糾纏分發即可檢測。

廣義相對論預言了一類奇特的時空結構,這樣的時空結構中存在閉合的類時世界線 (closed timelike curve),也就是俗稱的蟲洞 (wormhole)。 物體沿著蟲洞運動會出現違背因果律的行為:物體會通過蟲洞回到過去,因此形成所謂的「時間機器」(time machine)。值得指出的是,蟲洞這樣的結構原則上可以從重力場的量子漲落中形成,而時間機器對因果律的破壞引起了許多邏輯悖論。不過,已故的知名物理學家J. Polchinski最早發現存在一類特殊且自相一致的古典運動軌道以避免悖論。Politzer、Deutsch等人研究了這類問題的量子力學版本,即量子態在這類奇異時空結構中的自相一致演化行為。

Ralph, Milburn和Downes將Deutsch的工作推廣到量子場論,他們所推廣的理論可以描述光子在有蟲洞的時空結構中的演化行為。特別重要的是,這會產生一種可以實驗檢驗的量子態退相干現象。假設在地球上的糾纏光子源產生的一對糾纏光子在時空不同的區域傳播:第一個光子在地球實驗平臺附近的局部平直時空中傳播,而另一個光子則在地球的重力場形成的彎曲時空中向在高處軌道上運動的量子衛星傳播。 在沒有蟲洞的情況下,光子對的糾纏原則上沒有損耗;但如果光子有穿過蟲洞,那麼根據上述理論,則會發現光子對的糾纏會損耗,也就是退相干。因此,量子科學實驗衛星是檢驗這一理論的理想平臺。

對於地星之間的量子態分發,中國科學技術大學團隊已經開展了一系列先驅性的實驗研究。 2016年8月16日,中科大團隊發射了世界首顆量子科學實驗衛星「墨子號」。 至2017年8月,「墨子號」圓滿完成三大既定的科學目標:千公里級星地雙向量子糾纏分發、星地量子密鑰分發和地星量子隱形傳態,三項工作成果分別發表於《科學》[Science 356, 1140 (2017)]和《自然》[Nature 549, 43 (2017);Nature 549, 70 (2017)]雜誌。

在「墨子號」衛星前期實驗的基礎上,本研究進一步對穿越地球表面重力場的量子糾纏光退相干情況展開測試。 當衛星處於不同的高度角時,地星之間傳播的光子所經歷的重力場曲率和路徑長度均發生改變。 因此若重力能夠導致量子糾纏退相干,則退相干效應的強度將隨衛星高度角的改變而發生變化。 實驗中,待分發的糾纏光源首先在實驗室內進行測量,獲得局部平直時空中的光源參數。同時為評估背景噪聲、大氣擾動等因素對觀測結果的影響,設計以弱相干光作為參考,與量子糾纏光在地面交錯合束後共同進行地星分發,最終通過分析不同衛星高度角下光源參數的變化。在當前的實驗精度下,本次實驗所觀測到的結果未檢測到理論所預言的蟲洞效應導致的糾纏退相干現象。對此結果,審稿人評價如下: the model is an honorable attempt to say something about quantum mechanics and gravity, and it is nice to have an experiment that rules it out to some degree of precision.

本次實驗開啟了以量子糾纏態來具體驗證量子重力可能引起的物理效應。 未來希望有更多相關的研究奠基在此一類工作的基礎上,以期待解開人們所好奇的蟲洞之謎。(資料提供:物理系 / 編輯:胡世澤 / 核稿:鄧麗君)

論文連結:https://science.sciencemag.org/content/early/2019/09/18/science.aay5820

實驗裝置簡圖與糾纏光子對的時空圖:
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