虛數不虛，中科大潘建偉團隊首次嚴格確認量子力學中復數的必要性
更嚴格的實驗，再登物理學頂刊
夢晨 發自 凹非寺
量子位 | 公眾號 QbitAI
僅用實數無法完整地描述標準量子力學，實驗確認復數對于量子物理必不可少。
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》。
在很長一段時間里，復數在量子力學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，但不久之后又放棄，因為引入復數后計算上簡單很多。
今年初，潘建偉團隊用超導量子方法完成了驗證復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，通常命名為Alice和Bob。
Alice和Bob分別測量量子的偏振性，然后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。
后來又有人證明了并不需要引入復數，僅用實數版量子力學就能描述貝爾實驗的結果。
△約翰貝爾（不是發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隊提出驗證復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
一年后，中科大潘建偉團隊&南科大范靖云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并雙雙獲得編輯推薦。
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。
為了解決這些漏洞，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。
不可能堵上所有漏洞，因為這些粒子的相關性可能自宇宙誕生以來就存在。
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認為，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。
最后，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。
因為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。
對于這個問題，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/1090
https://www.aps.org/publications/apsnews/202211/numbers.cfm
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