一個國際研究團隊已經證明，量子力學的虛部可以在現實世界中觀察到。
近一個世紀以來，物理科學家們都在關注一個重要問題：為什麼複數在量子力學中如此重要，虛數往往是用來描述現象的一個數學技巧，而且以往經驗只有實屬表示的結果才具有真正的物理意義。但是近日，由中國、波蘭和加拿大的科學家團隊已經證明，在現實世界中是可以觀察到量子力學的虛部的。
我們需要大量重構關於數字描述物理世界的能力的幼稚想法。到目前為止，似乎只有實數與可測量的物理量有關。但是，由華沙大學量子光學技術中心（QOT）的亞歷山大·斯特列佐夫（Alexander Streltsov）博士團隊進行的研究得到了中國科學技術大學（USTC）和北京大學的科學家的參與。卡爾加里發現糾纏光子的量子態，如果不借助複數就無法區分它們。此外，研究人員還進行了一項實驗，證實了複數對量子力學的重要性。描述理論和測量的文章剛剛出現在《
Physical Review Letters》雜誌上發表了
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光子可能糾纏在一起，以至於在量子力學中如果不使用複數就無法描述它們的狀態。
“在物理學中，複數本質上被認為是純粹的數學。的確，儘管它們在量子力學方程中起著基本作用，但它們只是被視為一種工具，為物理學家的計算提供了便利。現在，我們從理論上和實驗上證明了只有在必不可少的複數參與下進行計算時，才能區分出某些量子態。” Streltsov博士解釋說。
複數由實數和虛數兩個部分組成。它們的形式為a + bi，其中數字a和b為實數。bi元件負責複數的特定功能。這裡的關鍵作用是虛數i，即-1的平方根。
在物理世界中，沒有任何事情是直接與數字i相關的。比如桌子上有2個或者3個蘋果，這是非常好把數字和物理世界關聯的，但是我們卻很難找到和虛數i相關的物理世界。
用於產生量子態的光子源需要用複數來描述。
物理學中複數令人驚訝的職業生涯與以下事實有關：與使用流行的三角函式相比，它們可以更方便地描述各種振盪。因此，計算是使用複數進行的，最後只考慮其中的實數。
與其他的物理理論相比，量子力學之所以與眾不同，原因是它可以描述某些特定情況下具有波動和粒子運動的物體的現象。而描述該現象的方程為薛定諤方程，它描述了波動函式隨時間的變化。虛數i顯得十分重要。
“幾十年來，人們一直在爭論是否僅憑實數就能創造出連貫而完整的量子力學。因此，我們決定尋找只能透過使用複數來區分的量子態。決定性的時刻是進行實驗的過程，我們在這些實驗中建立了這些狀態並對其進行了物理區分，” Streltsov博士說，他的研究由波蘭科學基金會資助。
驗證複數在量子力學中的作用的實驗可以以愛麗絲（Alice）和鮑勃（Bob）玩的遊戲形式出現，並由主持遊戲的主人參與。使用帶有鐳射和晶體的裝置，遊戲大師可以將兩個光子繫結為兩個量子狀態之一，絕對需要使用複數來區分它們。然後，一個光子被髮送到愛麗絲，另一個光子被髮送到鮑勃。它們每個都測量其光子，然後與另一個通訊以建立任何現有的相關性。
“讓我們假設愛麗絲和鮑勃的測量結果只能取0或1的值。愛麗絲和鮑勃一樣看到0和1的無意義序列。但是，如果他們進行通訊，則可以在相關度量之間建立連線。如果遊戲管理員向他們傳送了一個相關狀態，則當一個看到結果為0時，另一個也是如此。如果他們收到反相關的狀態，那麼當愛麗絲測得0時，鮑勃將為1。透過雙方同意，愛麗絲和鮑勃可以區分，但前提是它們的量子性質從根本上講是複雜的。
在理論描述中使用了一種稱為量子資源理論的方法。在糾纏的兩個光子狀態之間進行區域性區分的實驗本身是在合肥的實驗室中使用線性光學技術進行的。研究人員準備的量子態被證明是可區分的，這證明了複數是量子力學不可或缺的一部分。
波蘭－中國－加拿大研究人員小組的成就具有里程碑的意義，可以轉化為新的量子技術。特別是，對複數在量子力學中的作用的研究可以幫助更好地理解量子計算機效率的來源，而量子計算機是定性的新型計算機，能夠以傳統計算機無法達到的速度解決某些問題。
參考：
Wu Kang-Da Wu，Tulja Varun Kondra，Swapan Rana，Carlo Maria Scandolo，項國勇，李傳峰，郭光燦和亞歷山大·斯特列佐夫的“想象力的運營資源理論”，2021年3月1日，《
物理評論信》
。
DOI：10。1103 / PhysRevLett。126。090401
吳康大，Tulja Varun Kondra，Swapan Rana，Carlo Maria Scandolo，項國勇，李傳峰，郭光燦和亞歷山大·斯特列佐夫的“虛構的資源理論：量化和狀態轉換”，2021年3月1日，
物理學評論A輯
。
DOI：10。1103 / PhysRevA。103。032401
作者：互聯範兒
