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虚数被证实可以在现实世界中观察到,i的神秘意义

一个国际研究团队已经证明,量子力学的虚部可以在现实世界中观察到。

虚数被证实可以在现实世界中观察到,i的神秘意义

近一个世纪以来,物理科学家们都在关注一个重要问题:为什么复数在量子力学中如此重要,虚数往往是用来描述现象的一个数学技巧,而且以往经验只有实属表示的结果才具有真正的物理意义。但是近日,由中国、波兰和加拿大的科学家团队已经证明,在现实世界中是可以观察到量子力学的虚部的。

我们需要大量重构关于数字描述物理世界的能力的幼稚想法。到目前为止,似乎只有实数与可测量的物理量有关。但是,由华沙大学量子光学技术中心(QOT)的亚历山大·斯特列佐夫(Alexander Streltsov)博士团队进行的研究得到了中国科学技术大学(USTC)和北京大学的科学家的参与。卡尔加里发现纠缠光子的量子态,如果不借助复数就无法区分它们。此外,研究人员还进行了一项实验,证实了复数对量子力学的重要性。描述理论和测量的文章刚刚出现在《Physical Review Letters》杂志上发表了。

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光子可能纠缠在一起,以至于在量子力学中如果不使用复数就无法描述它们的状态。

“在物理学中,复数本质上被认为是纯粹的数学。的确,尽管它们在量子力学方程中起着基本作用,但它们只是被视为一种工具,为物理学家的计算提供了便利。现在,我们从理论上和实验上证明了只有在必不可少的复数参与下进行计算时,才能区分出某些量子态。” Streltsov博士解释说。

复数由实数和虚数两个部分组成。它们的形式为a + bi,其中数字a和b为实数。bi组件负责复数的特定功能。这里的关键作用是虚数i,即-1的平方根。

在物理世界中,没有任何事情是直接与数字i相关的。比如桌子上有2个或者3个苹果,这是非常好把数字和物理世界关联的,但是我们却很难找到和虚数i相关的物理世界。

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用于产生量子态的光子源需要用复数来描述。

物理学中复数令人惊讶的职业生涯与以下事实有关:与使用流行的三角函数相比,它们可以更方便地描述各种振荡。因此,计算是使用复数进行的,最后只考虑其中的实数。

与其他的物理理论相比,量子力学之所以与众不同,原因是它可以描述某些特定情况下具有波动和粒子运动的物体的现象。而描述该现象的方程为薛定谔方程,它描述了波动函数随时间的变化。虚数i显得十分重要。

“几十年来,人们一直在争论是否仅凭实数就能创造出连贯而完整的量子力学。因此,我们决定寻找只能通过使用复数来区分的量子态。决定性的时刻是进行实验的过程,我们在这些实验中创建了这些状态并对其进行了物理区分,” Streltsov博士说,他的研究由波兰科学基金会资助。

验证复数在量子力学中的作用的实验可以以爱丽丝(Alice)和鲍勃(Bob)玩的游戏形式出现,并由主持游戏的主人参与。使用带有激光和晶体的设备,游戏大师可以将两个光子绑定为两个量子状态之一,绝对需要使用复数来区分它们。然后,一个光子被发送到爱丽丝,另一个光子被发送到鲍勃。它们每个都测量其光子,然后与另一个通信以建立任何现有的相关性。

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“让我们假设爱丽丝和鲍勃的测量结果只能取0或1的值。爱丽丝和鲍勃一样看到0和1的无意义序列。但是,如果他们进行通信,则可以在相关度量之间建立连接。如果游戏管理员向他们发送了一个相关状态,则当一个看到结果为0时,另一个也是如此。如果他们收到反相关的状态,那么当爱丽丝测得0时,鲍勃将为1。通过双方同意,爱丽丝和鲍勃可以区分,但前提是它们的量子性质从根本上讲是复杂的。

在理论描述中使用了一种称为量子资源理论的方法。在纠缠的两个光子状态之间进行局部区分的实验本身是在合肥的实验室中使用线性光学技术进行的。研究人员准备的量子态被证明是可区分的,这证明了复数是量子力学不可或缺的一部分。

波兰-中国-加拿大研究人员小组的成就具有里程碑的意义,可以转化为新的量子技术。特别是,对复数在量子力学中的作用的研究可以帮助更好地理解量子计算机效率的来源,而量子计算机是定性的新型计算机,能够以传统计算机无法达到的速度解决某些问题。

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