实验|中科大潘建伟团队首次实验排除实数形式的标准量子力学
中国科学技术大学潘建伟团队首次实验证明实数无法完整描述标准量子力学 ， 确立了复数的客观实在性 。
近期 ， 中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Cabello教授合作 ， 利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换 ， 以超过43个标准差的实验精度成果 ， 在世界上首次通过实验排除实数形式的标准量子力学 。
中科大团队相关论文发表在《物理学评论快报》
南方科技大学范靖云、杨胜军、李正达等和电子科技大学王子竹以及西班牙、瑞士、奥地利等国家科学家合作 ， 也在光量子实验中证实了这一结果 。
两篇研究论文均以“编辑推荐”的形式发表在《物理学评论快报》上 ， 并作为亮点文章 。 美国物理学会Physics网站和《自然》杂志分别邀请国际专家为其撰写相关评论文章 。
南科大团队相关论文发表在《物理学评论快报》
据论文 ， 标准量子理论是用复值薛定谔方程、波函数、算子和希尔伯特空间来制定的 。 之前的研究试图通过扩大希尔伯特空间来模拟只使用实数的量子系统 。
但问题也随之出现：在标准量子理论中 ， 复数真的是必要的吗?
一直以来 ， 物理学家都使用数学来描述自然规律 。 在经典物理学中 ， 人们仅用实数就可写出所有定律 ， 复数只作为一个方便计算的工具（即z=a+bi ， 其中a、b均为实数）而被主观引入 。
随着量子力学诞生 ， 复数逐渐表现出某种直觉上的不可排除性：理论上 ， 作为量子力学基石的薛定谔方程和海森堡对易关系 ， 其本身就是依赖于复数写出的；实验上 ， 人们则直接测量到波函数的实部与虚部 。 这说明 ， 复数可能并不是一个单纯主观引入的计算符号 ， 而是能通过实验检测出来的物理实在 。
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因此 ， 奥地利、西班牙和瑞士等国家组成的科学家团队提出一种利用确定性纠缠交换 ， 验证复数必要性的贝尔不等式类型的检验方法 。 遵循实数形式量子物理的参与者不能获得标准量子理论中允许的界限 ， 从而排除仅以实数形式描述标准量子力学的可能性 。
依据上述检验方法 ， 中科大潘建伟团队基于自主设计研发的超导量子线路和高精度量子操控技术 ， 在世界上首次完成了该实验 。 在遵循实数形式量子物理的情况下 ， 实数形式的界限为7.66 。 但实验测试结果为8.09 ， 超过判据43个标准差 ， 这证明了以实数形式描述标准量子力学的错误性 ， 并确立了复数在标准量子理论中不可或缺的作用 。
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中科大团队实验结果 ， 图片来自中科大官网
南科大团队则利用光子系统进行实验测试 ， 证明量子纠缠在含两个独立EPR源、三个探测器的光量子网络中 ， 实验结果违反了实数形式量子物理的约束 ， 超出4.5个标准差 ， 从而证明实数形式下的标准量子理论不具有普遍性 。
美国物理学会Physics网站对此评论：这两个小组采用了不同方法来实现量子纠缠 。
中科大团队使用了一个超导量子处理器 ， 其中的量子位有单独的控制和读出 。 这种方法的主要挑战是使位于同一电路上的量子位元真正独立且解耦——这是贝尔不等式类型检验方法的严格要求 。
南科大团队选择了一种更容易实现这种独立性的光子来实验 。 具体来说 ， 他们使用参数下转换产生的偏振纠缠光子 ， 并利用超导纳米线单光子探测器进行探测 。 然而 ， 光量子实验面临着一个不同的挑战：实验中需要完整的贝尔态测量 ， 这可以直接使用超导量子位实现 ， 但不能通过线性光学现象实现 。 因此 ， 南科大团队只能依赖“部分”的贝尔态测量 。
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南科大团队实验场景 ， 图片来自论文
“尽管每种实验都存在固有的困难 ， 但这两个实验都得出了令人信服的结果 。 令人印象深刻的是 ， 他们的数据比实数形式下的理论数据高出了许多个标准差(分别为43个标准差和4.5个标准差) ， 这有力地证明了需要复数来描述量子实验 。 ”Physics网站评论道 。
“有趣的是 ， 这两个实验都是基于最小量子网络方案(两个源和三个节点) ， 这是未来量子互联网中很有前景的一个组成部分 。 实验结果还证明了新量子技术的可用性与测试量子力学基础方面的可能性密切相关 。 反过来说 ， 这些新的量子力学基本见解可能会对量子信息技术发展产生意想不到的影响 。 ”
【实验|中科大潘建伟团队首次实验排除实数形式的标准量子力学】然而 ， 在评估这些结果的影响时 ， 也必须谨慎 。 有人可能会得出这样的结论：对于描述宇宙的物理世界来说 ， 复数是必不可少的 。 但这个结论只有在接受量子力学的标准框架时才成立 ， 它是建立在几个假设基础上的 。 这些实验结果并不适用于量子力学的其他公式 ， 比如基于不同假设的波姆力学(Bohmian mechanics) ， 但这些成果足以激发人们尝试超越量子力学的标准形式 。
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