中科大實數量子力學檢驗實驗入選國際物理學十大進展

物理學家使用數學來描述自然規律。復數中虛數的基本單位i，對應于英文“想象的”。在經典物理學中，人們只用實數就可以寫出所有定律，而復數僅僅作為一個方便的計算工具被主觀引入。隨著量子力學誕生，量子力學是否必須使用復數描述，以及這個“想象的”i是不是客觀實在，是一直存在著爭議的、長期的基礎性問題。1926年，薛定諤提出薛定諤方程后，致信洛倫茲：“這個（薛定諤）方程中令人不愉快的，也是我直接反對的，是復數的使用。”此后，馮諾依曼、斯蒂克爾堡等人也試圖發展過全實數形式的量子理論。楊振寧在《20世紀數學與物理的分與合》一文中寫道：“i在量子力學以前也出現過，可是不是基本的，只是一個工具。到了量子力學發展以后，它就不只是個工具，而是一個基本觀念了。為什么基礎物理學必須用這個抽象的數學觀念，虛數i，現在沒有人能解釋。”

虛數i在量子力學中無處不在，是工具還是物理實在？中國科大供圖

如同1964年提出的貝爾不等式提供了檢驗1935年愛因斯坦和波爾論戰的判據，檢驗復數在量子力學中的必要性的理論判據在2021年被提出來。這個理論測試方案可以被認為是一個三方非定域游戲：在一個糾纏交換網絡中，三個參與者接收從兩個互相獨立的糾纏源產生的糾纏例子，并各自獨立地對接收到的粒子進行本地測量。遵守實數形式量子物理的三個參與者不能獲得標準量子理論中允許的界限，從而可以排除以實數形式描述標準量子力學的可能性。這個實驗不僅要求量子比特之間保持獨立性，同時還要有極高的操縱精度和測量保真度，才能產生對實數量子力學模型的違背。

基于高保真度糾纏交換的三分非定域實驗，可以檢驗復數的必要性。 中國科大供圖

潘建偉團隊在國際上率先開展了對實數量子力學的一系列檢驗。2021年，團隊基于自主研發的超導量子體系，采用了I形的Transmon量子比特設計來增加量子比特之間的間距，以減少在同一個超導芯片上的比特之間的近鄰耦合。通過高精度的量子操控技術，兩個糾纏脈沖序列用于制備兩對糾纏態，將量子比特分發給參與的三方。每一方各自獨立選擇要在其量子位上執行的測量操作，包括一個完整的貝爾態測量。最后，根據測量結果的聯合統計分布計算量子博弈游戲的分數，僅用實數的參與者最多可以獲得7.66分，而實驗結果顯示，由4個超導量子比特組成的三方參與者可以獲得8.09(1)分，以超過判據43個標準差的實驗精度首次證明了復數在標準量子力學形式中的必要性。

超導實驗利用了確定性的糾纏交換和量子比特測量，關閉了探測效率潛在的漏洞。但是，由于量子比特在距離上無法滿足理論方案中類空間隔的要求，因而存在定域、測量和糾纏源獨立性等問題。為了嚴格地檢驗復數的客觀存在性，填補存在的定域漏洞等問題，研究團隊又開展了新的實驗，利用了一個具有五個節點的糾纏交換光量子網絡。每個節點之間距離相距至少89米，以防止信息可以以光速的速度從參與方傳播到另一方，從而參與者之間互相影響導致實驗結果的不可信。在此類空間隔的基礎上，兩個互相獨立的糾纏源各自獨立產生糾纏光子對，分發給遠處的三個參與者進行高速隨機的光子測量操作。實驗過程中，每個參與者都不受其他參與者的測量選擇和結果影響，各自分別獨立地進行本地的隨機測量操作。實驗結果以5.3個標準差超過了實數形式的量子力學預測結果，實驗結論支持量子物理需要使用復數，更嚴格驗證了量子力學中復數的不可或缺。

嚴格非定域實數量子力學檢驗實驗裝置圖。  中國科大供圖