虛數(shù)不虛，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)首次嚴(yán)格確認(rèn)量子力學(xué)中復(fù)數(shù)的必要性

夢晨 2022-10-30 13:13:16 來源：量子位

夢晨 發(fā)自 凹非寺
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僅用實(shí)數(shù)無法完整地描述標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)，實(shí)驗(yàn)確認(rèn)復(fù)數(shù)對于量子物理必不可少。

中科大潘建偉潘建偉、陸朝陽、張強(qiáng)等，與濟(jì)南量子技術(shù)研究院等單位合作的新成果再登頂刊《物理評論快報》。

在很長一段時間里，復(fù)數(shù)在量子力學(xué)中被視為一種方便的輔助工具，但到底是否必要的還存疑。

就連薛定諤本人，在最初推導(dǎo)波函數(shù)方程方程時都嘗試過避免用到虛數(shù)i。

他一度做到了，但不久之后又放棄，因?yàn)橐霃?fù)數(shù)后計(jì)算上簡單很多。

今年初，潘建偉團(tuán)隊(duì)用超導(dǎo)量子方法完成了驗(yàn)證復(fù)數(shù)的必要性的第一個實(shí)驗(yàn)，轟動一時。

但當(dāng)時的試驗(yàn)還存在一些漏洞（Loopholes），在定域、測量獨(dú)立性、糾纏源獨(dú)立性等方面存在問題。

這一次，團(tuán)隊(duì)改用光量子方法設(shè)計(jì)更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)改善這些問題，以5.3個標(biāo)準(zhǔn)差超過了實(shí)數(shù)形式的量子力學(xué)預(yù)測結(jié)果。

這一成果引起物理學(xué)界廣泛興趣，美國物理學(xué)會也專門撰文介紹這一工作。

擴(kuò)展版貝爾實(shí)驗(yàn)的原理

首先來看實(shí)驗(yàn)原理，潘建偉團(tuán)隊(duì)的兩次實(shí)驗(yàn)都是對著名的貝爾實(shí)驗(yàn)的擴(kuò)展。

在原版貝爾實(shí)驗(yàn)中，一對糾纏的量子分別發(fā)給兩個接收方，通常命名為Alice和Bob。

Alice和Bob分別測量量子的偏振性，然后對比測量結(jié)果來判斷兩個測量結(jié)果之間的相關(guān)性。

如果按經(jīng)典物理觀點(diǎn)，這個相關(guān)性存在一個最大值。

從上世紀(jì)70年代開始，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都超出了這個最大值，支持了量子力學(xué)觀點(diǎn)。

后來又有人證明了并不需要引入復(fù)數(shù)，僅用實(shí)數(shù)版量子力學(xué)就能描述貝爾實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。

△約翰貝爾（不是發(fā)明電話的亞歷山大貝爾）

直到2021年1月，奧地利、西班牙和瑞士等國的研究團(tuán)隊(duì)提出驗(yàn)證復(fù)數(shù)必要性的擴(kuò)展版實(shí)驗(yàn)。

新版實(shí)驗(yàn)中，一對糾纏量子換成不同源的兩對糾纏量子。

一對分別發(fā)給Alice和Bob，另一對發(fā)給Bob和Charlie，三方對測量結(jié)果做交叉對比，這種情況下僅靠實(shí)數(shù)無法完整描述實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

不過當(dāng)時這篇論文僅提出了擴(kuò)展版貝爾實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)思路，還需要有人來對它進(jìn)行驗(yàn)證。

更嚴(yán)格的實(shí)驗(yàn)堵上漏洞

一年后，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)&南科大范靖云團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，兩篇論文同天發(fā)表在物理評論快報上并雙雙獲得編輯推薦。

但當(dāng)時，這兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都還分別存在一些原版貝爾實(shí)驗(yàn)就有的漏洞。

其中，中科大實(shí)驗(yàn)利用同一個超導(dǎo)量子芯片上的四個量子比特，距離上不滿足類空間隔（Spacelike Interval）的要求。

簡單來說也就是距離相隔不夠遠(yuǎn)，不能排除以光速傳播的隱藏信息干擾試驗(yàn)結(jié)果的可能性。

為了解決這些漏洞，團(tuán)隊(duì)又進(jìn)行了第二次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

在最新實(shí)驗(yàn)中，研究團(tuán)隊(duì)選取了5個地點(diǎn)，兩個地點(diǎn)至少相隔89米，設(shè)置了滿足類空間隔的糾纏交換光量子網(wǎng)絡(luò)。

這樣一來，即便存在未知的信息傳遞機(jī)制，但只要不比光速還快就無法干擾到實(shí)驗(yàn)結(jié)果，也就是堵上了局部性漏洞。

據(jù)中科大量子物理與量子信息研究部介紹，實(shí)驗(yàn)用網(wǎng)絡(luò)中的兩個獨(dú)立源各自獨(dú)立產(chǎn)生糾纏光子對，分發(fā)給遠(yuǎn)處的三個參與者進(jìn)行高速隨機(jī)的光子測量操作。

實(shí)驗(yàn)過程中，參與者不受其他參與者的測量選擇和結(jié)果影響，各自獨(dú)立地進(jìn)行本地的隨機(jī)操作，以堵上獨(dú)立性漏洞。

不過論文中也提到，堵上獨(dú)立性漏洞是建立在“隱藏變量與狀態(tài)一同創(chuàng)建”的假設(shè)前提下。

不可能堵上所有漏洞，因?yàn)檫@些粒子的相關(guān)性可能自宇宙誕生以來就存在。

最初設(shè)計(jì)這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的西班牙光子科學(xué)研究所研究員Marc-Olivier Renou認(rèn)為，雖然獨(dú)立性漏洞永遠(yuǎn)不可能完全堵上，但是未來可以量化堵上了多少。

最后，上一次超導(dǎo)量子實(shí)驗(yàn)中堵上的檢測漏洞，在光量子實(shí)驗(yàn)中再次出現(xiàn)。

因?yàn)楫?dāng)前設(shè)備下不能保證所有光子都被測量，不同的抽樣也可能對結(jié)果有影響。

對于這個問題，陸朝陽表示希望接下來能開發(fā)出同時堵住這些漏洞的新方法。

論文地址：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.140401

參考鏈接：
http://quantum.ustc.edu.cn/web/node/1090
https://www.aps.org/publications/apsnews/202211/numbers.cfm