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夢晨發(fā)自凹非寺量子位|公眾號QbitAI量子力學(xué)又成了熱點，這次不是量子計算也不是量子加密通訊，而是一個基礎(chǔ)理論問題。相關(guān)問題一度登上知乎熱榜第二。事情是這樣的。量子力學(xué)很多方程中都用到了虛數(shù)，但這讓物理學(xué)家們感到困惑。畢竟現(xiàn)實世界中能測量
夢晨 發(fā)自 凹非寺量子位 | 公眾號 QbitAI
量子力學(xué)又成了熱點，這次不是量子計算也不是量子加密通訊，而是一個基礎(chǔ)理論問題。
相關(guān)問題一度登上知乎熱榜第二。
事情是這樣的。
量子力學(xué)很多方程中都用到了虛數(shù)，但這讓物理學(xué)家們感到困惑。
畢竟現(xiàn)實世界中能測量出的值都是實數(shù)的，比如一個物體的質(zhì)量或速度，量子力學(xué)中的概率和期望也不例外。
就連薛定諤自己，在最初推導(dǎo)波動方程時候都嘗試過避免用到虛數(shù)i。
他確實一度做到了，但不久又放棄了，因為引入虛數(shù)后計算上簡單很多。
之后很長時間里，虛數(shù)在量子力學(xué)中都被視為一種方便的輔助工具，但到底是不是必要的還存疑。
這個問題現(xiàn)在有了答案。
中科大潘建偉團隊&南科大范靖云團隊分別獨立通過實驗驗證了虛數(shù)的必要性。
僅用實數(shù)不能描述標(biāo)準量子力學(xué)的實驗結(jié)果。
兩項實驗結(jié)果分別超過實數(shù)理論界限43個標(biāo)準差和4.7個標(biāo)準差，都能有力支撐這一結(jié)論。
兩篇論文同天發(fā)表在物理頂刊物理評論快報上，雙雙獲得編輯推薦。
用超導(dǎo)量子、光量子分別做出驗證
兩個團隊的實驗方法都是對著名的貝爾實驗（Bell Experiment）做了擴展。
貝爾實驗由英國物理學(xué)家約翰貝爾提出（不是發(fā)明電話的亞歷山大貝爾）。
在原版貝爾實驗中，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，這個相關(guān)性存在一個最大值。
從上世紀70年代開始，多次實驗結(jié)果都超出了這個最大值，支持了量子力學(xué)觀點。
后來又有人證明了并不需要引入虛數(shù)，僅用實數(shù)版量子力學(xué)就能描述貝爾實驗的結(jié)果。
但去年12月發(fā)表在Nature上的一篇論文挑戰(zhàn)了這個觀點。（去年1月提交在arxiv上）
這篇論文中奧地利、西班牙和瑞士等國的研究團隊提出一種能驗證虛數(shù)必要性的擴展版貝爾實驗。
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(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，研究團隊認為虛數(shù)是必要的。
不過這篇論文僅提出了理論，并沒有做實驗去驗證，真的完成這個實驗還有一定難度
論文最后也表達了一種期待：
希望不久的將來能出現(xiàn)一個令人信服的實驗，去否定實數(shù)版量子力學(xué)。
現(xiàn)在，令人信服的實驗來了，還一次來了兩個。
中科大團隊使用的自研的超導(dǎo)量子線路完成了這個實驗。
實驗結(jié)果8.09，超過實數(shù)形式7.66的界限43個標(biāo)準差（標(biāo)準差為0.01）。
南科大團隊采用了另一種思路，以光量子方法也完成了這個實驗。
完整的貝爾態(tài)測量在線性光學(xué)系統(tǒng)中被證明是不可能的，因此論文中提出了部分貝爾態(tài)測量做替代。
實驗結(jié)果也超出了實數(shù)形式界限4.7個標(biāo)準差，同樣支持了標(biāo)準量子力學(xué)不能拋掉虛數(shù)的觀點。
更嚴謹?shù)膶嶒炓呀?jīng)安排上
雖然超導(dǎo)量子、光量子兩條路線的實驗都能初步驗證虛數(shù)的必要性，但還有一些問題需要解決。
早期的貝爾實驗中存在幾個漏洞（Loopholes），包括局部性漏洞和檢測漏洞。
局部性漏洞是說如果Alice和Bob離得不夠遠、測量不夠快，以光速傳播的未知隱藏信息還有可能影響實驗結(jié)果。
檢測漏洞則是檢測儀器無法檢測到全部的量子，不同的抽樣也可能對結(jié)果有影響。
直到2015年，才由荷蘭科學(xué)家通過高速隨機數(shù)生成器、高效探測器等手段第一次完成無漏洞的貝爾實驗。
現(xiàn)在的三方擴展版貝爾實驗，可能同樣面臨這些問題。
不過arxiv上已經(jīng)可以找到中科大潘建偉團隊的一篇新論文，用更嚴謹?shù)膶嶒炋钛a了局部性漏洞。
這篇新論文中透露，針對檢測漏洞的新實驗方案也在計劃中
最后介紹一下已在物理評論快報發(fā)表的兩篇論文的作者團隊。
中科大論文共同一作陳明城、王粲和劉豐銘，團隊中包括潘建偉、陸朝陽、朱曉波等人。
與西班牙塞維利亞大學(xué)的Cabello教授等人合作。
南方科大論文共同一作是李正達，毛亞莉，通訊作者范靖云。
與西班牙光子研究所合作，也是提出新版貝爾實驗?zāi)瞧狽ature論文的研究團隊。
中科大論文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403后續(xù)論文：https://arxiv.org/abs/2201.04177
南科大論文：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040402
新實驗理論基礎(chǔ)論文：https://www.nature.com/articles/s41586-021-04160-4
參考資料：[1]http://news.ustc.edu.cn/info/1055/78317.htm[2]http://philsci-archive.pitt.edu/17701/[3]https://physics.aps.org/articles/v15/7[4]https://www.sciencenews.org/article/quantum-physics-imaginary-numbers-math-reality
— 完 —
量子位 QbitAI · 頭條號簽約
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馬楠明