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量子力學(xué)又成熱點相關(guān)問題登上知乎熱榜第二

2022-02-07 16:05:44 來源：量子位

量子力學(xué)又成了熱點，這次不是量子計算也不是量子加密通訊，而是一個基礎(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)實世界中能測量出的值都是實數(shù)的，比如一個物體的質(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)波動方程時候都嘗試過避免用到虛數(shù) i。他確實一度做到了，但不久又放棄了，因為引入虛數(shù)后計算上簡單很多。之后很長時間里，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。

這個問題現(xiàn)在有了答案。中科大潘建偉團隊 & 南科大范靖云團隊分別獨立通過實驗驗證了虛數(shù)的必要性。

僅用實數(shù)不能描述標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的實驗結(jié)果。

兩項實驗結(jié)果分別超過實數(shù)理論界限 43 個標(biāo)準(zhǔn)差和 4.7 個標(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論快報上，雙雙獲得編輯推薦。

用超導(dǎo)量子、光量子分別做出驗證

兩個團隊的實驗方法都是對著名的貝爾實驗(Bell Experiment)做了擴展。貝爾實驗由英國物理學(xué)家約翰貝爾提出(不是發(fā)明電話的亞歷山大貝爾)。

在原版貝爾實驗中，一對糾纏的量子分別發(fā)給兩個接收方，通常命名為 Alice 和 Bob。Alice 和 Bob 分別測量量子的偏振性，然后對比測量結(jié)果來判斷兩個測量結(jié)果之間的相關(guān)性。如果按經(jīng)典物理觀點，這個相關(guān)性存在一個最大值。

從上世紀(jì) 70 年代開始，多次實驗結(jié)果都超出了這個最大值，支持了量子力學(xué)觀點。后來又有人證明了并不需要引入虛數(shù)，僅用實數(shù)版量子力學(xué)就能描述貝爾實驗的結(jié)果。但去年 12 月發(fā)表在 Nature 上的一篇論文挑戰(zhàn)了這個觀點。(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隊提出一種能驗證虛數(shù)必要性的擴展版貝爾實驗。

新版實驗中，一對糾纏量子換成不同源的兩對糾纏量子。一對分別發(fā)給 Alice 和 Bob，另一對發(fā)給 Bob 和 Charlie，三方對測量結(jié)果做交叉對比。這種情況下，研究團隊認為虛數(shù)是必要的。

不過這篇論文僅提出了理論，并沒有做實驗去驗證，真的完成這個實驗還有一定難度論文最后也表達了一種期待：

希望不久的將來能出現(xiàn)一個令人信服的實驗，去否定實數(shù)版量子力學(xué)。

現(xiàn)在，令人信服的實驗來了，還一次來了兩個。中科大團隊使用的自研的超導(dǎo)量子線路完成了這個實驗。

實驗結(jié)果 8.09，超過實數(shù)形式 7.66 的界限 43 個標(biāo)準(zhǔn)差(標(biāo)準(zhǔn)差為 0.01)。

南科大團隊采用了另一種思路，以光量子方法也完成了這個實驗。

完整的貝爾態(tài)測量在線性光學(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)測量做替代。實驗結(jié)果也超出了實數(shù)形式界限 4.7 個標(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。

更嚴謹?shù)膶嶒炓呀?jīng)安排上

雖然超導(dǎo)量子、光量子兩條路線的實驗都能初步驗證虛數(shù)的必要性，但還有一些問題需要解決。早期的貝爾實驗中存在幾個漏洞(Loopholes)，包括局部性漏洞和檢測漏洞。

局部性漏洞是說如果 Alice 和 Bob 離得不夠遠、測量不夠快，以光速傳播的未知隱藏信息還有可能影響實驗結(jié)果。檢測漏洞則是檢測儀器無法檢測到全部的量子，不同的抽樣也可能對結(jié)果有影響。

直到 2015 年，才由荷蘭科學(xué)家通過高速隨機數(shù)生成器、高效探測器等手段第一次完成無漏洞的貝爾實驗。現(xiàn)在的三方擴展版貝爾實驗，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隊的一篇新論文，用更嚴謹?shù)膶嶒炋钛a了局部性漏洞。

這篇新論文中透露，針對檢測漏洞的新實驗方案也在計劃中。

最后介紹一下已在物理評論快報發(fā)表的兩篇論文的作者團隊。

中科大論文共同一作陳明城、王粲和劉豐銘，團隊中包括潘建偉、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，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驗?zāi)瞧?Nature 論文的研究團隊。

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