虚数为真，中国科学技术大学潘建伟团队首次严格证实了复数在量子力学中的必然性。仅用实数无法完全描述标准量子力学，实验证实复数对量子物理学至关重要。中国科学技术大学潘建伟、卢朝阳、张强等，济南量子技术研究所等单位再次登顶期刊《物理评论快报》。很长一段时间，复数被视为量子力学中的一个方便的附属物，但人们质疑它们是否有必要。就连薛定谔自己在最初推导波函数方程时也尽量避免使用虚数i。他做了一段时间，但过了一会儿就放弃了，因为引入复数后计算起来就容易多了。今年年初，潘建伟团队完成了第一个用超导量子方法验证复数必要性的实验，引起轰动。但是当时的实验还是存在一些漏洞（Loopholes），在定位、测量独立性、纠缠源独立性等方面都存在问题。这一次，团队改用光量子方法设计更严谨的实验来改善这些问题，以实数形式超出量子力学的预测结果5.3个标准差。这一成果引起了物理学界的广泛兴趣，美国物理学会也专门撰文介绍了这项工作。扩展贝尔实验的原理首先，让我们看一下实验的原理。潘建伟团队进行的这两项实验是著名的贝尔实验的延伸。在最初的贝尔实验中，一对纠缠量子被发送给两个接收者，通常叫爱丽丝和鲍勃。爱丽丝和鲍勃分别测量量子的极化，然后比较测量结果来判断两个测量结果之间的相关性。根据经典物理学的观点，这种相关性存在最大值。20世纪70年代以来，许多实验结果都超过了这个最大值，支持了量子力学的观点。后来有人证明，不需要引入复数，只有实数版的量子力学才能描述贝尔实验的结果。直到2021年1月，来自奥地利、西班牙和瑞士的研究团队提出了一个扩展版本的实验来验证复数的必要性。在新版本的实验中，一对纠缠量子被两对不同来源的纠缠量子所取代。一对发送给Alice和Bob，另一对发送给Bob和Charlie。三方对测量结果进行交叉比较。在这种情况下，仅仅用实数是无法完整描述实验结果的。不过当时这篇论文只是提出了贝尔实验扩展版的设计思路，还需要有人去验证。经过更严格的实验堵住漏洞一年后，中国科大潘建伟团队和南科大范景云团队独立完成了实验验证。两篇论文于同一天发表在PhysicalReviewLetters上，均得到主编推荐。但在当时，这两个实验在原来的贝尔实验中还存在一些漏洞。其中，中科大实验在同一个超导量子芯片上使用了4个量子比特，距离不符合类空间间隔（SpacelikeInterval）的要求。简单来说，就是距离不够远，排除隐藏信息以光速传播干扰检测结果的可能。为了解决这些漏洞，该团队进行了第二次实验验证。在最新的实验中，研究团队选择了5个位置，两个位置相距至少89米，建立了一个满足类空间间隔的纠缠交换光量子网络。这样一来，即使有未知的信息传递机制，只要不超过光速，也无法干扰实验结果，也就是堵住了局部的漏洞。据中国科学技术大学量子物理与量子信息研究部介绍，实验网络中两个独立源独立产生纠缠光子对，分布到远处的三个参与者进行高速随机光子测量操作。实验过程中，参与者不受其他参与者的测量选择和结果的影响，独立进行局部随机操作，弥补了独立性漏洞。不过，论文中也提到，堵住独立性漏洞是基于“隐变量和状态一起创建”的假设。不可能把所有的洞都堵上，因为这些粒子的相关性很可能从宇宙诞生之日起就存在了。最初设计该实验的西班牙光子科学研究所研究员Marc-OlivierRenou认为，尽管独立性漏洞永远不会被完全堵上，但未来有可能量化堵上多少。终于，在上次超导量子实验中堵上的探测漏洞，在光量子实验中再次出现。因为在目前的设备下不能保证所有的光子都被测量到，不同的采样也可能对结果产生影响。对于这个问题，卢朝阳表示，希望未来能开发出一种同时堵塞这些漏洞的新方法。论文地址：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.140401
