中國科學技術大學實數(shù)量子力學檢驗實驗入選2022年國際物理學十大進展

[本刊訊] 2022年12月20日，美國物理學會旗下Physics網站公布2022年國際物理學領域十項重大進展，中國科學技術大學的實數(shù)量子力學檢驗系列實驗入選。

經典物理學只用實數(shù)就可以寫出所有定律，僅為方便計算主觀引入復數(shù)。而量子力學是否必須使用復數(shù)描述，以及虛數(shù)的基本單位i是否客觀實在一直存在爭議。

檢驗復數(shù)在量子力學中的必要性的理論判據于2021年被提出。該理論測試方案是在一糾纏交換網絡中，3個參與者接收2個相互獨立的糾纏源產生的糾纏粒子，并各自獨立地對接收到的粒子進行本地測量。遵守實數(shù)形式量子物理的3個參與者不能獲得標準量子理論中允許的界限，從而可排除以實數(shù)形式描述標準量子力學的可能性。

2021年潘建偉團隊率先開展實驗檢驗?；谧灾餮邪l(fā)的超導量子體系，增加量子比特之間的間距以減少近鄰耦合。兩個糾纏脈沖序列用于制備兩對糾纏態(tài)，將量子比特分發(fā)給3個參與者。每個參與者獨立選擇要執(zhí)行的測量操作。實驗結果以超過判據43個標準差的精度首次證明了復數(shù)在標準量子力學形式中的必要性。

為填補定域漏洞等問題，團隊開展了新的實驗。利用具有5個節(jié)點的糾纏交換光量子網絡，每個節(jié)點間隔足夠遠以防參與者之間互相影響。兩個互相獨立的糾纏源產生糾纏光子對，分發(fā)給遠處3個參與者。每個參與者都不受其他參與者的測量選擇和結果影響，各自獨立進行本地隨機測量操作。實驗結果以5.3個標準差超過了實數(shù)形式的量子力學預測結果，嚴格驗證了量子力學中復數(shù)的不可或缺。

系列實驗研究工作首次在愛因斯坦嚴格定域條件下證明了“虛數(shù)不虛”，加深了對量子基礎物理的認知，激發(fā)科學家探索更多量子力學基本問題。

（勇 蘭）