量子力學(xué)又成了熱點(diǎn)，這次不是量子計(jì)算也不是量子加密通訊，而是一個(gè)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(shí)世界中能測(cè)量出的值都是實(shí)數(shù)的，比如一個(gè)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(dòng)方程時(shí)候都嘗試過避免用到虛數(shù) i。他確實(shí)一度做到了，但不久又放棄了，因?yàn)橐胩摂?shù)后計(jì)算上簡(jiǎn)單很多。之后很長時(shí)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(gè)問題現(xiàn)在有了答案。中科大潘建偉團(tuán)隊(duì) & 南科大范靖云團(tuán)隊(duì)分別獨(dú)立通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了虛數(shù)的必要性。
僅用實(shí)數(shù)不能描述標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
兩項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別超過實(shí)數(shù)理論界限 43 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差和 4.7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)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(píng)論快報(bào)上，雙雙獲得編輯推薦。
▲ 中科大論文
▲ 南科大論文
用超導(dǎo)量子、光量子分別做出驗(yàn)證
兩個(gè)團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)方法都是對(duì)著名的貝爾實(shí)驗(yàn)（Bell Experiment）做了擴(kuò)展。貝爾實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中，一對(duì)糾纏的量子分別發(fā)給兩個(gè)接收方，通常命名為 Alice 和 Bob。Alice 和 Bob 分別測(cè)量量子的偏振性，然后對(duì)比測(cè)量結(jié)果來判斷兩個(gè)測(cè)量結(jié)果之間的相關(guān)性。如果按經(jīng)典物理觀點(diǎn)，這個(gè)相關(guān)性存在一個(gè)最大值。
從上世紀(jì) 70 年代開始，多次實(shí)驗(yàn)結(jié)果都超出了這個(gè)最大值，支持了量子力學(xué)觀點(diǎn)。后來又有人證明了并不需要引入虛數(shù)，僅用實(shí)數(shù)版量子力學(xué)就能描述貝爾實(shí)驗(yàn)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(gè)觀點(diǎn)。（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(tuán)隊(duì)提出一種能驗(yàn)證虛數(shù)必要性的擴(kuò)展版貝爾實(shí)驗(yàn)。
新版實(shí)驗(yàn)中，一對(duì)糾纏量子換成不同源的兩對(duì)糾纏量子。一對(duì)分別發(fā)給 Alice 和 Bob，另一對(duì)發(fā)給 Bob 和 Charlie，三方對(duì)測(cè)量結(jié)果做交叉對(duì)比。這種情況下，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)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(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證，真的完成這個(gè)實(shí)驗(yàn)還有一定難度論文最后也表達(dá)了一種期待：
希望不久的將來能出現(xiàn)一個(gè)令人信服的實(shí)驗(yàn)，去否定實(shí)數(shù)版量子力學(xué)。
現(xiàn)在，令人信服的實(shí)驗(yàn)來了，還一次來了兩個(gè)。中科大團(tuán)隊(duì)使用的自研的超導(dǎo)量子線路完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果 8.09，超過實(shí)數(shù)形式 7.66 的界限 43 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差（標(biāo)準(zhǔn)差為 0.01）。
南科大團(tuán)隊(duì)采用了另一種思路，以光量子方法也完成了這個(gè)實(shí)驗(yàn)。
完整的貝爾態(tài)測(cè)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(cè)量做替代。實(shí)驗(yàn)結(jié)果也超出了實(shí)數(shù)形式界限 4.7 個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差，同樣支持了標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)不能拋掉虛數(shù)的觀點(diǎn)。
更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)已經(jīng)安排上
雖然超導(dǎo)量子、光量子兩條路線的實(shí)驗(yàn)都能初步驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中存在幾個(gè)漏洞（Loopholes），包括局部性漏洞和檢測(cè)漏洞。
局部性漏洞是說如果 Alice 和 Bob 離得不夠遠(yuǎn)、測(cè)量不夠快，以光速傳播的未知隱藏信息還有可能影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。檢測(cè)漏洞則是檢測(cè)儀器無法檢測(cè)到全部的量子，不同的抽樣也可能對(duì)結(jié)果有影響。
直到 2015 年，才由荷蘭科學(xué)家通過高速隨機(jī)數(shù)生成器、高效探測(cè)器等手段第一次完成無漏洞的貝爾實(shí)驗(yàn)?，F(xiàn)在的三方擴(kuò)展版貝爾實(shí)驗(yàn)，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(tuán)隊(duì)的一篇新論文，用更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶?shí)驗(yàn)填補(bǔ)了局部性漏洞。
這篇新論文中透露，針對(duì)檢測(cè)漏洞的新實(shí)驗(yàn)方案也在計(jì)劃中。
最后介紹一下已在物理評(píng)論快報(bào)發(fā)表的兩篇論文的作者團(tuán)隊(duì)。
中科大論文共同一作陳明城、王粲和劉豐銘，團(tuán)隊(duì)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(dá)，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(shí)驗(yàn)?zāi)瞧?Nature 論文的研究團(tuán)隊(duì)。
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(shí)驗(yàn)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
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