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北京時(shí)間2022年12月20日，美國(guó)物理學(xué)會(huì)（American Physical Society）旗下的Physics網(wǎng)站公布今年國(guó)際物理學(xué)領(lǐng)域十項(xiàng)重大進(jìn)展（“Highlights of the Year”），回顧了2022年國(guó)際范圍內(nèi)取得的代表性科研成果。其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)、朱曉波、張強(qiáng)等完成的實(shí)數(shù)量子力學(xué)檢驗(yàn)系列實(shí)驗(yàn)，與激光聚變首次跨越盈虧點(diǎn)、銀河系黑洞的第一張照片、詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝標(biāo)志性宇宙圖像、航天器碰撞改變行星軌道、破譯蛋白質(zhì)折疊等十項(xiàng)研究成果入圍。?

圖1：美國(guó)物理學(xué)會(huì)公布2022年十大進(jìn)展

物理學(xué)家使用數(shù)學(xué)來描述自然規(guī)律。復(fù)數(shù)中虛數(shù)的基本單位i，對(duì)應(yīng)于英文“想象的”。在經(jīng)典物理學(xué)中，人們只用實(shí)數(shù)就可以寫出所有定律，而復(fù)數(shù)僅僅作為一個(gè)方便的計(jì)算工具被主觀引入。隨著量子力學(xué)誕生，量子力學(xué)是否必須使用復(fù)數(shù)描述，以及這個(gè)“想象的”i是不是客觀實(shí)在，是一直存在著爭(zhēng)議的、長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性問題。1926年，薛定諤提出薛定諤方程后，致信洛倫茲：“這個(gè)（薛定諤）方程中令人不愉快的，也是我直接反對(duì)的，是復(fù)數(shù)的使用。”此后，馮諾依曼、斯蒂克爾堡等人也試圖發(fā)展過全實(shí)數(shù)形式的量子理論。楊振寧在《20世紀(jì)數(shù)學(xué)與物理的分與合》一文中寫道：“i在量子力學(xué)以前也出現(xiàn)過，可是不是基本的，只是一個(gè)工具。到了量子力學(xué)發(fā)展以后，它就不只是個(gè)工具，而是一個(gè)基本觀念了。為什么基礎(chǔ)物理學(xué)必須用這個(gè)抽象的數(shù)學(xué)觀念，虛數(shù)i，現(xiàn)在沒有人能解釋?！?/p>

圖2：虛數(shù)i在量子力學(xué)中無(wú)處不在，是工具還是物理實(shí)在？

如同1964年提出的貝爾不等式提供了檢驗(yàn)1935年愛因斯坦和波爾論戰(zhàn)的判據(jù)，檢驗(yàn)復(fù)數(shù)在量子力學(xué)中的必要性的理論判據(jù)在2021年被提出來（Nature 600, 625–629 (2021)）。這個(gè)理論測(cè)試方案可以被認(rèn)為是一個(gè)三方非定域游戲：在一個(gè)糾纏交換網(wǎng)絡(luò)中，三個(gè)參與者接收從兩個(gè)互相獨(dú)立的糾纏源產(chǎn)生的糾纏粒子，并各自獨(dú)立地對(duì)接收到的粒子進(jìn)行本地測(cè)量。遵守實(shí)數(shù)形式量子物理的三個(gè)參與者不能獲得標(biāo)準(zhǔn)量子理論中允許的界限，從而可以排除以實(shí)數(shù)形式描述標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)的可能性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)不僅要求量子比特之間保持獨(dú)立性，同時(shí)還要有極高的操縱精度和測(cè)量保真度，才能產(chǎn)生對(duì)實(shí)數(shù)量子力學(xué)模型的違背。

圖3：基于高保真度糾纏交換的三分非定域?qū)嶒?yàn)，可以檢驗(yàn)復(fù)數(shù)的必要性

潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先開展了對(duì)實(shí)數(shù)量子力學(xué)的一系列檢驗(yàn)。2021年，團(tuán)隊(duì)基于自主研發(fā)的超導(dǎo)量子體系，采用了I形的Transmon量子比特設(shè)計(jì)來增加量子比特之間的間距，以減少在同一個(gè)超導(dǎo)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(shù)，兩個(gè)糾纏脈沖序列用于制備兩對(duì)糾纏態(tài)，將量子比特分發(fā)給參與的三方。每一方各自獨(dú)立選擇要在其量子位上執(zhí)行的測(cè)量操作，包括一個(gè)完整的貝爾態(tài)測(cè)量。最后，根據(jù)測(cè)量結(jié)果的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分布計(jì)算量子博弈游戲的分?jǐn)?shù)，僅用實(shí)數(shù)的參與者最多可以獲得7.66分，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，由4個(gè)超導(dǎo)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(jù)43個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)驗(yàn)精度首次證明了復(fù)數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)量子力學(xué)形式中的必要性。

圖4：基于超導(dǎo)比特的首個(gè)實(shí)數(shù)量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：來自陳明城、王粲、劉豐銘等PRL 128, 040403 (2022)。

超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)利用了確定性的糾纏交換和量子比特測(cè)量，關(guān)閉了探測(cè)效率潛在的漏洞。但是，由于量子比特在距離上無(wú)法滿足理論方案中類空間隔的要求，因而存在定域、測(cè)量和糾纏源獨(dú)立性等問題。為了嚴(yán)格地檢驗(yàn)復(fù)數(shù)的客觀存在性，填補(bǔ)存在的定域漏洞等問題，研究團(tuán)隊(duì)又開展了新的實(shí)驗(yàn)，利用了一個(gè)具有五個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏交換光量子網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)節(jié)點(diǎn)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(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可信。在此類空間隔的基礎(chǔ)上，兩個(gè)互相獨(dú)立的糾纏源各自獨(dú)立產(chǎn)生糾纏光子對(duì)，分發(fā)給遠(yuǎn)處的三個(gè)參與者進(jìn)行高速隨機(jī)的光子測(cè)量操作。實(shí)驗(yàn)過程中，每個(gè)參與者都不受其他參與者的測(cè)量選擇和結(jié)果影響，各自分別獨(dú)立地進(jìn)行本地的隨機(jī)測(cè)量操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以5.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過了實(shí)數(shù)形式的量子力學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)論支持量子物理需要使用復(fù)數(shù)，更嚴(yán)格驗(yàn)證了量子力學(xué)中復(fù)數(shù)的不可或缺。

圖5：嚴(yán)格非定域?qū)崝?shù)量子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)三方處于類空間隔，滿足嚴(yán)格的愛因斯坦非定域性條件。來自吳典、江揚(yáng)帆、顧雪梅等PRL129,140401 (2022)。

系列實(shí)驗(yàn)研究工作首次在愛因斯坦嚴(yán)格定域條件下證明了“虛數(shù)不虛”，不僅加深了人們對(duì)量子基礎(chǔ)物理的認(rèn)知，激發(fā)科學(xué)家們探索更多的量子力學(xué)基本問題，也為未來量子信息技術(shù)的探索提供了新的啟示。

美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics十大進(jìn)展發(fā)布：https://physics.aps.org/articles/v15/197

論文鏈接：https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403,https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.140401

美國(guó)物理學(xué)會(huì)Physics網(wǎng)站報(bào)道：https://physics.aps.org/articles/v15/7

美國(guó)物理學(xué)會(huì)APS News網(wǎng)站報(bào)道：https://www.aps.org/publications/apsnews/202211/numbers.cfm

《自然》評(píng)述文章：https://www.nature.com/articles/d41586-021-03678-x

（合肥微尺度物質(zhì)科學(xué)國(guó)家研究中心、中科院量子信息與量子科技創(chuàng)新研究院、科研部、新聞中心）