中科大实数量子力学检验实验入选2022国际物理学十大进展

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本报合肥12月21日电（记者马荣瑞 通讯员王敏）北京时间2022年12月20日，美国物理学会旗下的Physics网站公布今年国际物理学领域十项重大进展。其中，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波、张强等完成的实数量子力学检验系列实验，与激光聚变首次跨越盈亏点、银河系黑洞的第一张照片、詹姆斯·韦布空间望远镜拍摄标志性宇宙图像、航天器碰撞改变行星轨道、破译蛋白质折叠等十项研究成果入围。

物理学家使用数学来描述自然规律。复数中虚数的基本单位i，对应于英文“想象的”。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，量子力学是否必须使用复数描述，以及这个“想象的”i是不是客观实在，是一直存在着争议的、长期的基础性问题。1926年，薛定谔提出薛定谔方程后，致信洛伦兹：“这个（薛定谔）方程中令人不愉快的，也是我直接反对的，是复数的使用。”此后，冯·诺依曼、斯蒂克尔堡等人也试图发展过全实数形式的量子理论。杨振宁在《20世纪数学与物理的分与合》一文中写道：“i在量子力学以前也出现过，可是不是基本的，只是一个工具。到了量子力学发展以后，它就不只是个工具，而是一个基本观念了。为什么基础物理学必须用这个抽象的数学观念，虚数i，现在没有人能解释。”

如同1964年提出的贝尔不等式提供了检验1935年爱因斯坦和波尔论战的判据一样，检验复数在量子力学中的必要性的理论判据在2021年被提出来。

潘建伟团队在国际上率先开展了对实数量子力学的一系列检验。团队以超过判据43个标准差的实验精度首次证明了复数在标准量子力学形式中的必要性。为了严格地检验复数的客观存在性，填补存在的定域漏洞等问题，研究团队又开展了新的实验，实验结果以5.3个标准差超过了实数形式的量子力学预测结果，实验结论支持量子物理需要使用复数，更严格验证了量子力学中复数的不可或缺。

系列实验研究工作首次在爱因斯坦严格定域条件下证明了“虚数不虚”，不仅加深了人们对量子基础物理的认知，而且激发科学家们探索更多的量子力学基本问题，也为未来量子信息技术的探索提供了新的启示。