Квантовая теория первоначально была сформулирована с использованием комплексных чисел. Тем не менее, отвечая на письмо Хендрика Лоренца, Эрвин Шредингер (один из ее отцов-основателей) написал: «Использование комплексных чисел в квантовой теории неприятно и против этого следует возражать. Волновая функция, безусловно, является реальной функцией».
В последние годы ученые успешно исключили любое локальное объяснение скрытых переменных квантовой теории с помощью тестов Белла. Позже такие тесты были распространены на сеть с несколькими независимыми скрытыми переменными. В такой квантовой сети квантовая теория, использующая только действительные числа, или «настоящая квантовая теория», и стандартная квантовая теория в некоторых сценариях делают количественно разные предсказания, что позволяет экспериментально проверить достоверность реальной квантовой теории.
Исследователи Южного университета науки и технологии в Китае, Австрийской академии наук и других институтов по всему миру недавно адаптировали один из этих тестов, чтобы его можно было реализовать в современных фотонных системах. Их статья, опубликованная в Physical Review Letters , экспериментально демонстрирует существование квантовых корреляций в оптической сети, которые не могут быть объяснены реальной квантовой теорией.
«С самого начала квантовой теории комплексные числа рассматривались скорее как математическое попустительство, чем как фундаментальный строительный блок», — сказал Phys.org Зычжу Ван, один из исследователей, проводивших исследование. «Общие дебаты о роли комплексных чисел в квантовой теории продолжаются и по сей день».
В 1960-х годах швейцарский физик Эрнст Штюкельберг и его коллеги успешно сформулировали квантовую теорию в реальных гильбертовых пространствах. Хотя это была важная веха в этой области, в их формулировке не использовалось известное так называемое «тензорное произведение» для составления различных систем. По сути, это означает, что их формулировка не согласуется с тем, что известно как «настоящая квантовая теория».
«Интерес к этому вопросу возродился, когда мы начали рассматривать квантовую теорию с точки зрения теории информации», — пояснил Ван. «Некоторые обобщенные вероятностные теории (ТОТ), сформулированные с использованием только действительных чисел, оказываются такими же мощными, как квантовая теория, в некоторых задачах обработки информации и даже превосходят квантовую теорию в некоторых других. до сих пор у нас не было инструментов, чтобы окончательно исключить настоящую квантовую теорию как жизнеспособную альтернативу сложной квантовой теории».
Недавняя статья Фана и его коллег вдохновлена давней дискуссией в области физики, а именно тем, что касается существования локальных скрытых переменных в квантовой теории. Физики Альберт Эйнштейн, Борис Подольский и Натан Розен поставили этот важный вопрос в одной из своих основополагающих статей, опубликованной в 1935 году. существуют скрытые переменные.
«В 1964 году Джон Белл выдвинул революционную идею использования корреляционных функций вероятностей, которые можно проверить и проанализировать в лаборатории, чтобы сделать вывод об основных свойствах физических систем», — сказал журнал Phys. .орг. «Потребовалось еще 50 лет, чтобы окончательно решить этот спор и систематически исключить локальные объяснения скрытых переменных квантовой теории».
Хотя она успешно применялась во многих исследованиях, сама по себе теорема Белла недостаточно мощна, чтобы точно предсказать различия между реальными и сложными квантовыми теориями. В своем недавнем исследовании Фан и его коллеги смогли оценить эти различия, рассмотрев квантовую сеть с несколькими независимыми источниками.
«Недавно группа теоретиков, в которую входили Мигель Наваскуэс, Мирьям Вейленманн, Армин Таваколи, Давид Трилло и Тинх П. Ле из Вены, Антонио Асин, Марк-Оливье Реноу из Барселоны и Николя Гизин из Женевы, осознали, что естественное обобщение теории Белла тест в сети может отличить сложную квантовую теорию от настоящей квантовой теории», — сказал Фан. «В сети, в которой стороны связаны через несколько независимых источников запутанности, реальная квантовая теория не согласуется со всеми предсказаниями сложной квантовой теории. Это прокладывает путь для экспериментального различения двух теорий в квантовой сети, основанной на независимых источниках запутанности».
Чтобы реализовать и проверить теорию, разработанную Наваскуэсом и его коллегами, в экспериментальных условиях, исследователи использовали современную оптическую квантовую сеть. Ключевым допущением теории является независимость от источника, что подразумевает, что анализируемая сеть должна состоять из независимых источников запутанности, производящих пары запутанных состояний.
Теория предполагает, что когда это предположение не выполняется, предсказания становятся недействительными. Чтобы убедиться, что это было выполнено в их экспериментах, Фан и его коллеги использовали фотонную сеть, в которой источники запутанных фотонов физически разделены.
«Еще одна экспериментальная проблема заключается в том, что экспериментальная система должна быть чистой с очень низким уровнем шума», — сказал Фан. «Группа ученых, в которую входят Чжэнда Ли, Яли Мао, Ху Чен, Лисин Фэн, Шэнцзюнь Ян и я из Южного университета науки и технологии в Шэньчжэне, и Цзычжу Ван из Университета электронных наук и технологий Китая в Чэнду, город известный своими пандами, преодолел эти трудности», — сказал Фан. «Мы построили квантовый сетевой эксперимент с двумя независимыми источниками запутанности и тремя сторонами (т. е. Алисой, Бобом и Чарли) и наблюдали корреляции, нарушающие ограничения реальной квантовой теории более чем на 4,5 стандартных отклонения».
В отличие от экспериментального теста, проведенного Фаном и его коллегами, стандартные тесты, основанные на теории Белла, используют только один источник запутанности и рассматривают две стороны (т. е. Алису и Боба). Таким образом, их экспериментальная установка позволила исследователям преодолеть проблемы, связанные со стандартными тестами, основанными на теореме Белла, и эффективно проверить различия между реальными и сложными квантовыми теориями.
«Наш эксперимент неизбежно опровергает настоящую квантовую теорию как универсальную физическую теорию, ясно показывая, что не все предсказания, основанные на стандартной квантовой теории с комплексными числами, могут быть смоделированы аналогом стандартной квантовой теории с действительными числами», — сказал Фан. «Следовательно, комплексные числа имеют фундаментальное значение для квантовой теории ».
В будущем недавнее исследование, проведенное этой группой исследователей, может проложить путь для дальнейших исследований по оценке основ квантовой физики, особенно в квантовых сетях. В конечном итоге это может позволить разработать новые инновационные квантовые технологии и приложения, поскольку теорема Белла широко используется в квантовой информатике.
«В то время как нелокальность Белла двудольной системы уже противоречит интуиции, многочастная нелокальность в нашем многочастичном мире оказывается еще более таковой: корреляции в природе безгранично многочастны и нелокальны», — добавил Фан. «Интересно, что мы только что разработали тест типа Белла для подлинной многочастной нелокальности в сети , чтобы показать, что природа безгранична, многодольная нелокальна, и провели первый эксперимент».
