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中科大潘建偉團隊首次實驗排除實數形式的標準量子力學

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2022-01-30 18:03 | 稿件來源:澎湃新聞

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中國科學技術大學潘建偉團隊首次實驗證明實數無法完整描述標準量子力學,確立了復數的客觀實在性。

近期,中國科學技術大學潘建偉、陸朝陽、朱曉波等和西班牙塞維利亞大學Cabello教授合作,利用超高精度超導量子線路實現確定性糾纏交換,以超過43個標準差的實驗精度成果,在世界上首次通過實驗排除實數形式的標準量子力學。

中科大團隊相關論文發表在《物理學評論快報》

南方科技大學範靖雲、楊勝軍、李正達等和電子科技大學王子竹以及西班牙、瑞士、奧地利等國家科學家合作,也在光量子實驗中證實了這一結果。

兩篇研究論文均以“編輯推薦”的形式發表在《物理學評論快報》上,並作為亮點文章。美國物理學會Physics網站和《自然》雜志分別邀請國際專家為其撰寫相關評論文章。

南科大團隊相關論文發表在《物理學評論快報》

據論文,標準量子理論是用復值薛定諤方程、波函數、算子和希爾伯特空間來制定的。之前的研究試圖通過擴大希爾伯特空間來模擬只使用實數的量子系統。

但問題也隨之出現:在標準量子理論中,復數真的是必要的嗎?

一直以來,物理學家都使用數學來描述自然規律。在經典物理學中,人們僅用實數就可寫出所有定律,復數只作為一個方便計算的工具(即z=a+bi,其中a、b均為實數)而被主觀引入。

隨著量子力學誕生,復數逐漸表現出某種直覺上的不可排除性:理論上,作為量子力學基石的薛定諤方程和海森堡對易關系,其本身就是依賴於復數寫出的;實驗上,人們則直接測量到波函數的實部與虛部。這說明,復數可能並不是一個單純主觀引入的計算符號,而是能通過實驗檢測出來的物理實在。

因此,奧地利、西班牙和瑞士等國家組成的科學家團隊提出一種利用確定性糾纏交換,驗證復數必要性的貝爾不等式類型的檢驗方法。遵循實數形式量子物理的參與者不能獲得標準量子理論中允許的界限,從而排除僅以實數形式描述標準量子力學的可能性。

依據上述檢驗方法,中科大潘建偉團隊基於自主設計研發的超導量子線路和高精度量子操控技術,在世界上首次完成了該實驗。在遵循實數形式量子物理的情況下,實數形式的界限為7.66。但實驗測試結果為8.09,超過判據43個標準差,這證明了以實數形式描述標準量子力學的錯誤性,並確立了復數在標準量子理論中不可或缺的作用。

中科大團隊實驗結果,圖片來自中科大官網

南科大團隊則利用光子系統進行實驗測試,證明量子糾纏在含兩個獨立EPR源、三個探測器的光量子網絡中,實驗結果違反了實數形式量子物理的約束,超出4.5個標準差,從而證明實數形式下的標準量子理論不具有普遍性。

美國物理學會Physics網站對此評論:這兩個小組採用了不同方法來實現量子糾纏。

中科大團隊使用了一個超導量子處理器,其中的量子位有單獨的控制和讀出。這種方法的主要挑戰是使位於同一電路上的量子位元真正獨立且解藕——這是貝爾不等式類型檢驗方法的嚴格要求。

南科大團隊選擇了一種更容易實現這種獨立性的光子來實驗。具體來說,他們使用參數下轉換產生的偏振糾纏光子,並利用超導納米線單光子探測器進行探測。然而,光量子實驗面臨著一個不同的挑戰:實驗中需要完整的貝爾態測量,這可以直接使用超導量子位實現,但不能通過線性光學現象實現。因此,南科大團隊只能依賴“部分”的貝爾態測量。

南科大團隊實驗場景,圖片來自論文

“盡管每種實驗都存在固有的困難,但這兩個實驗都得出了令人信服的結果。令人印象深刻的是,他們的數據比實數形式下的理論數據高出了許多個標準差(分別為43個標準差和4.5個標準差),這有力地證明了需要復數來描述量子實驗。”Physics網站評論道。

“有趣的是,這兩個實驗都是基於最小量子網絡方案(兩個源和三個節點),這是未來量子互聯網中很有前景的一個組成部分。實驗結果還證明了新量子技術的可用性與測試量子力學基礎方面的可能性密切相關。反過來說,這些新的量子力學基本見解可能會對量子信息技術發展產生意想不到的影響。”

然而,在評估這些結果的影響時,也必須謹慎。有人可能會得出這樣的結論:對於描述宇宙的物理世界來說,復數是必不可少的。但這個結論只有在接受量子力學的標準框架時才成立,它是建立在幾個假設基礎上的。這些實驗結果並不適用於量子力學的其他公式,比如基於不同假設的波姆力學(Bohmian mechanics),但這些成果足以激發人們嘗試超越量子力學的標準形式。


【編輯:馬華】

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