虛數不虛，中科大潘建偉團隊首次嚴格確認量子力學中複數的必要性

△約翰貝爾（不是發明電話的亞歷山大貝爾）

僅用實數無法完整地描述標準量子力學，實驗確認複數對於量子物理必不可少。

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

在很長一段時間裡，複數在量子力學中被視爲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，在最初推導波函數方程方程時都嘗試過避免用到虛數i。

他一度做到了，但不久之後又放棄，因爲引入複數後計算上簡單很多。

今年初，潘建偉團隊用超導量子方法完成了驗證複數的必要性的第一個實驗，轟動一時。

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

這一次，團隊改用光量子方法設計更嚴格的實驗改善這些問題，以5.3個標準差超過了實數形式的量子力學預測結果。

這一成果引起物理學界廣泛興趣，美國物理學會也專門撰文介紹這一工作。

擴展版貝爾實驗的原理

首先來看實驗原理，潘建偉團隊的兩次實驗都是對著名的貝爾實驗的擴展。

在原版貝爾實驗中，一對糾纏的量子分別發給兩個接收方，通常命名爲Alice和Bob。

Alice和Bob分別測量量子的偏振性，然後對比測量結果來判斷兩個測量結果之間的相關性。

如果按經典物理觀點，這個相關性存在一個最大值。

從上世紀70年代開始，多次實驗結果都超出了這個最大值，支持了量子力學觀點。

後來又有人證明了並不需要引入複數，僅用實數版量子力學就能描述貝爾實驗的結果。

直到2021年1月，奧地利、西班牙和瑞士等國的研究團隊提出驗證複數必要性的擴展版實驗。

新版實驗中，一對糾纏量子換成不同源的兩對糾纏量子。

一對分別發給Alice和Bob，另一對發給Bob和Charlie，三方對測量結果做交叉對比，這種情況下僅靠實數無法完整描述實驗結果。

不過當時這篇論文僅提出了擴展版貝爾實驗的設計思路，還需要有人來對它進行驗證。

更嚴格的實驗堵上漏洞

一年後，中科大潘建偉團隊&南科大範靖雲團隊分別獨立完成實驗驗證，兩篇論文同天發表在物理評論快報上並雙雙獲得編輯推薦。

但當時，這兩項實驗都還分別存在一些原版貝爾實驗就有的漏洞。

其中，中科大實驗利用同一個超導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，不能排除以光速傳播的隱藏信息干擾試驗結果的可能性。

爲了解決這些漏洞，團隊又進行了第二次實驗驗證。

在最新實驗中，研究團隊選取了5個地點，兩個地點至少相隔89米，設置了滿足類空間隔的糾纏交換光量子網絡。

這樣一來，即便存在未知的信息傳遞機制，但只要不比光速還快就無法干擾到實驗結果，也就是堵上了局部性漏洞。

據中科大量子物理與量子信息研究部介紹，實驗用網絡中的兩個獨立源各自獨立產生糾纏光子對，分發給遠處的三個參與者進行高速隨機的光子測量操作。

實驗過程中，參與者不受其他參與者的測量選擇和結果影響，各自獨立地進行本地的隨機操作，以堵上獨立性漏洞。

不過論文中也提到，堵上獨立性漏洞是建立在“隱藏變量與狀態一同創建”的假設前提下。

最初設計這項實驗的西班牙光子科學研究所研究員Marc-Olivier Renou認爲，雖然獨立性漏洞永遠不可能完全堵上，但是未來可以量化堵上了多少。

最後，上一次超導量子實驗中堵上的檢測漏洞，在光量子實驗中再次出現。

因爲當前設備下不能保證所有光子都被測量，不同的抽樣也可能對結果有影響。

對於這個問題，陸朝陽表示希望接下來能開發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/1090https://www.aps.org/publications/apsnews/202211/numbers.cfm