虛數有物理意義嗎？潘建偉范靖雲團隊最新量子力學研究同日登頂刊，引發基礎數理熱議

夢晨 發自 凹非寺

量子位 | 公眾號 QbitAI

量子力學又成了熱點，這次不是量子計算也不是量子加密通訊，而是一個基礎理論問題。

相幹問題一度登上知乎熱榜第二。

事情是這樣的。

量子力學很多方程中都用到了 虛數，但這讓物理學家們感到困惑。

畢竟現實世界中能測量出的值都是實數的，比如一個物體的質量或速度，量子力學中的概率和期望也不例外。

就連 薛定諤自己，在最初推導波動方程時候都嘗試過避免用到虛數i。

他確實一度做到了，但不久又放棄了，因為引入虛數後計算上簡單很多。

之後很長時間裡，虛數在量子力學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。

這個問題現在有了答案。

中科大潘建偉團隊& 南科大范靖雲團隊分別獨立通過實驗驗證了虛數的必要性。

僅用實數不能描述標準量子力學的實驗結果。

僅用實數不能描述標準量子力學的實驗結果。

兩項實驗結果分別超過實數理論界限43個標準差和4.7個標準差，都能有力支撐這一結論。

兩篇論文同天發表在物理頂刊 物理評論快報上，雙雙獲得編輯推薦。

△中科大論文

△ 南科大學論文 用超導量子、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家 約翰貝爾提出 （不是發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，然後對比測量結果來判斷兩個測量結果之間的相幹性。

如果按經典物理觀點，這個相幹性存在一個最大值。

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虛數，僅用實數版量子力學就能描述貝爾實驗的結果。

但去年12月發表在Nature上的一篇論文挑戰了這個觀點。（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，研究團隊認為虛數是必要的。

不過這篇論文僅提出了理論，並沒有做實驗去驗證，真的完成這個實驗還有一定難度

論文最後也表達了一種期待：

希望不久的將來能出現一個令人信服的實驗，去否定實數版量子力學。

希望不久的將來能出現一個令人信服的實驗，去否定實數版量子力學。

現在，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 超導量子線路完成了這個實驗。

實驗結果8.09，超過實數形式7.66的界限 43個標準差（標準差為0.01）。

南科大團隊採用了另一種思路，以 光量子方法也完成了這個實驗。

完整的貝爾態測量在線性光學系統中被證明是不可能的，因此論文中提出了部分貝爾態測量做替代。

實驗結果也超出了實數形式界限 4.7個標準差，同樣支持了標準量子力學不能拋掉虛數的觀點。

更嚴謹的實驗已經安排上

雖然超導量子、光量子兩條路線的實驗都能初步驗證虛數的必要性，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資訊還有可能影響實驗結果。

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果有影響。

直到2015年，才由荷蘭科學家通過高速隨機數生成器、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上已經可以找到中科大潘建偉團隊的一篇 新論文，用更嚴謹的實驗填補了局部性漏洞。

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

最後介紹一下已在物理評論快報發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，通訊作者范靖雲。

與西班牙光子研究所合作，也是提出新版貝爾實驗那篇Nature論文的研究團隊。

中科大論文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403

後續論文：

https://arxiv.org/abs/2201.04177

南科大論文：

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040402

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—

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