物理学家在光量子网络中测试真实的量子理论

　　郑大立和毛亚丽准备实验。作者：Li等人。
　　量子理论最初是用复数来表述的。然而，在回复亨德里克·洛伦兹（Hendrik Lorenz）的一封信时，埃尔文·施罗德（Erwin Schrödinger）写道：＂在量子理论中使用复数是令人不快的，应该受到反对。波函数从根本上说是一个真正的函数。＂
　　近年来，科学家成功地排除了量子的任何局部隐藏变量解释理论使用贝尔测试。后来，这类测试被推广到具有多个独立隐藏变量的网络。在这样一个量子网络中，只有实数的量子理论，或者说＂真量子理论＂，和标准量子理论在某些情况下做出了数量上不同的预测，从而能够对真实量子理论的有效性进行实验测试。
　　中国南方科技大学、奥地利科学院和世界各地其他研究所的研究人员最近调整了其中一项测试，以便能够在最先进的光子系统中实现。他们的论文发表于 体检报告 ，实验证明了光网络中存在量子关联，这是用量子理论无法解释的。
　　进行这项研究的研究员之一王紫竹（音译）告诉Phys：＂从量子理论的早期，复数就被视为一种数学上的默契，而不是基本的积木。＂。组织。＂关于复数在量子理论中的作用的一般性辩论一直持续到现在。＂
　　20世纪60年代，瑞士物理学家恩斯特·斯图克尔伯格和他的同事们成功地在真实的希尔伯特空间中建立了量子理论。虽然这是该领域的一个重要里程碑，但他们的公式没有使用著名的，所谓的＂张量积＂来组成不同的系统。这本质上意味着它们的表述与所谓的＂真实量子理论＂并不一致
　　＂当我们开始从信息论的角度看待量子理论时，人们对这个问题的兴趣又重新引起了，＂王解释说。一些广义概率理论（GPTs）它只使用实数来表述，在某些信息处理任务中表现出与量子理论一样强大的功能，甚至在其他一些任务中甚至优于量子理论。尽管我们现在还没有确定的量子理论包含了量子理论以外的其他理论。＂
　　范和他的同事最近的论文从物理学领域的一个长期争论中得到启发，即量子理论中局部隐藏变量的存在。物理学家阿尔伯特·爱因斯坦、鲍里斯·波多尔斯基和内森·罗森在1935年发表的一篇开创性论文中提出了这个重要问题。虽然许多物理学家在后来的几年里探索了这个问题，但是几十年来没有人能够设计出一种具体的方法来测试这些局部隐藏变量是否存在。
　　＂1964年，约翰·贝尔提出了一个革命性的想法，那就是利用概率的相关函数来推断物理系统的潜在属性，这种关联函数可以在实验室里进行测试和分析，＂参与这项研究的另一位研究员樊景云（音译）告诉Phys。组织。＂又花了50年才最终解决了这场争论，并系统地排除了量子理论的局部隐藏变量解释。＂
　　虽然贝尔定理已成功地应用于许多研究中，但单凭贝尔定理还不足以准确地预测实际量子理论与复杂量子理论之间的差异。在他们最近的研究中，范和他的同事们能够通过考虑具有多个独立源的量子网络来评估这些差异。
　　＂最近，一组理论家，包括来自维也纳的米格尔·纳瓦斯库、米尔贾姆·魏伦曼、阿明·塔瓦科利、大卫·特里洛和蒂恩·P·勒，来自巴塞罗那的安东尼奥·阿克因、来自巴塞罗那的马克·奥利维尔·雷诺和来自日内瓦的尼古拉斯·吉辛，认识到网络中贝尔检验的自然推广可以将复杂量子理论与真实量子理论区分开来。＂范冰冰说。＂在一个双方通过几个独立的纠缠源连接的网络中，真正的量子理论并不符合复杂量子理论的所有预测。这为在基于独立纠缠源的量子网络中实验上区分这两种理论铺平了道路。＂
　　为了在实验环境中实现和测试纳瓦斯库和他的同事们设计的理论，研究人员使用了最先进的光学量子网络。该理论的一个关键假设是源无关性，这意味着所分析的网络应该由独立的纠缠源组成，从而产生纠缠态对。
　　该理论认为，当这个假设不被满足时，预测就变得无效。为了确保在实验中得到满足，范和他的同事因此使用了一种光子网络，其中纠缠光子的来源被物理分离。
　　＂另一个实验挑战是实验系统必须干净，噪音很小，＂范说。＂一个科学家团队，包括来自深圳南方科技大学的李正大、毛雅莉、胡晨、冯立新、杨胜俊和我本人，以及来自中国电子科技大学的王紫竹（音译），他们来自以大熊猫闻名的成都，他们克服了这些挑战。＂。＂我们用两个独立的纠缠源和三方（即Alice、Bob和Charlie）构建了一个量子网络实验，观察到关联违反了真实量子理论的约束超过4.5个标准差。＂
　　与Fan和他的同事进行的实验测试不同，基于Bell理论的标准测试只使用单一的纠缠源，并且考虑了两方（即Alice和Bob）。因此，他们的实验环境使研究人员能够克服与标准贝尔定理为基础的测试相关的挑战，并有效地测试真实量子理论和复杂量子理论之间的差异。
　　范冰冰说：＂我们的实验必然会驳斥真正的量子理论是一种普适的物理理论，这清楚地表明，并非所有基于复数的标准量子理论的预测都可以用标准量子理论的实数模拟来模拟。＂。因此，复数是量子理论.＂
　　在未来，这个研究小组最近进行的研究可以为进一步研究评估量子物理的基础，特别是量子网络的基础铺平道路。最终，这将使新的创新量子技术和应用的发展成为可能，因为贝尔定理在量子信息科学中被广泛应用。
　　范补充说：＂虽然一个二分体系统的贝尔非定域性已经是违反直觉的，但在我们的多体世界中，多体非定域性更是如此：自然界的关联性是无限多体非局部的。＂。＂有趣的是，我们刚刚发展钟形测试对于真正的多部分非局部性网络为了证明自然界是无穷多部分非局部的，并进行了第一次实验。＂