虚数不虚，中科大潘建伟团队首次严格确认量子力学中复数的必要性

只有实数不能完全描述标准量子力学实验证实，复数对于量子物理是必不可少的

潘剑伟，，陆朝阳，张强等中国科技大学与济南量子技术学院合作的新成果等，登上了《物理评论快报》的榜首

长期以来，复数一直被认为是量子力学中一种方便的辅助工具，但是否有必要却令人怀疑。

就连薛定谔自己在第一次推导波函数方程的时候，也尽量避免使用虚数I。

他做了一段时间，但很快就放弃了，因为引入复数后计算简单多了。

今年年初，潘建伟团队完成了第一个用超导量子方法验证复数必要性的实验，引起了轰动。

但是当时的实验还是存在一些漏洞，比如定域性，测量独立性，纠缠源独立性。

这一次，团队改用光量子方法设计更严格的实验来改善这些问题，这些实验以5.3个标准差超过了实数形式的量子力学预测结果。

这项成果引起了物理学界的广泛兴趣，美国物理学会也专门撰文介绍这项工作。

扩展班贝尔实验的原理

首先看实验原理潘建伟团队的两个实验是著名的贝尔实验的延伸

在最初的贝尔实验中，一对纠缠量子被送到两个接收器，通常被命名为爱丽丝和鲍勃。

Alice和Bob分别测量量子的偏振，然后比较测量结果，判断两次测量结果的相关性。

根据经典物理学的观点，这种关联有一个最大值。

从70年代开始，很多实验都超过了这个最大值，支持了量子力学的观点。

后来证明不需要引入复数，只有量子力学的真实版本才能描述贝尔实验的结果。

约翰·贝尔

直到2021年1月，奥地利，西班牙，瑞士等国的研究团队提出了验证复数必要性的扩展实验。

一对分别发给爱丽丝和鲍勃，另一对发给鲍勃和查理，三方交叉比对测量结果在这种情况下，仅用实数并不能完全描述实验结果

但当时这篇论文只是提出了扩展钟实验的设计思路，还需要有人去验证。

更严格的实验来堵塞漏洞。

但当时两个实验都存在原贝尔实验的漏洞。

其中，中科大的实验在同一个超导量子芯片上使用了四个量子比特，距离不满足空间分隔的要求。

简单来说，距离不够远，不排除以光速传播的隐藏信息干扰测试结果的可能。

为了解决这些漏洞，团队进行了第二次实验验证。

在最新的实验中，研究团队选择了五个站点，它们之间相距至少89米，并设置了满足类空分离的纠缠交换光量子网络。

这样，即使存在未知的信息传递机制，只要不超过光速，就不能干扰实验结果，也就是把局部的漏洞堵住了。

据中科大量子物理与量子信息研究系介绍，实验网络中的两个独立源独立产生纠缠光子对，分发给三个相距较远的参与者进行高速随机光子测量。

在实验过程中，参与者不受其他参与者的测量选择和结果的影响，他们独立地执行局部随机操作来堵塞独立性漏洞。

不过，论文也提到，堵塞独立性漏洞是基于隐藏变量与状态一起创造的假设。

不可能把所有的漏洞都堵上，因为这些粒子的关联可能从宇宙诞生就存在了。

最初设计这个实验的西班牙光子学研究所研究员马克—奥利维耶·雷诺认为，虽然独立漏洞永远无法被完全封堵，但未来可以量化。

最后，上次超导量子实验中被堵住的探测孔在光量子实验中重现。

因为在目前的设备下无法测量所有的光子，不同的采样也可能影响结果。

对于这个问题，陆朝阳表示，希望接下来能研究出一种新的方法，同时堵住这些漏洞。

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