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2022年01月29日
中国科大首次实验排除实数形式的标准量子力学

中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Cabello教授合作,利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换,以超过43个标准差的实验精度证明了实数无法完整描述标准量子力学,确立了复数的客观实在性。相关研究成果近日以“编辑推荐”的形式发表在《物理学评论快报》上。美国物理学会Physics网站和《自然》杂志分别邀请国际专家撰写了相关Viewpoint和News & Views评论文章。

物理学家使用数学来描述自然规律。在经典物理学中,人们只用实数就可以写出所有定律,而复数仅仅作为一个方便的计算工具被主观引入。随着量子力学诞生,复数逐渐表现出某种直觉上的不可排除性:理论上,作为量子力学基石的薛定谔方程和海森堡对易关系其本身就是依赖于复数写出的;实验上,人们直接测量到了波函数的实部与虚部。这说明复数可能不是一个主观引入的计算符号,而是可以实验检测的物理实在。

图:实验结果

量子物理是否确实必须使用复数,是一个长期的基础性问题。近期,奥地利、西班牙和瑞士等国家组成的科学家团队提出一种利用确定性纠缠交换验证复数必要性的贝尔不等式类型的检验方法。遵守实数形式量子物理的参与者不能获得标准量子理论中允许的界限,从而排除以实数形式描述标准量子力学的可能性。潘建伟团队基于自主设计研发的超导量子线路和高精度量子操控技术,在世界上首次完成了该实验。在这个理论框架下,实数形式的界限为7.66,而实验测试结果为8.09,超过判据43个标准差。实验结论支持量子物理需要使用复数。

该论文的第一作者为陈明城、王粲和刘丰铭。该研究得到了自然科学基金委、中科院、科技部、教育部、安徽省等的支持。

文章链接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403

美国物理学会APS网站报道:https://physics.aps.org/articles/v15/7

《自然》相关评述文章:https://www.nature.com/articles/d41586-021-03678-x

ScienceNews报道:https://www.sciencenews.org/article/quantum-physics-imaginary-numbers-math-reality


(合肥微尺度物质科学国家研究中心、中科院量子信息与量子科技创新研究院、科研部)

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