2022
十大进展
中国农大实数目子力学检验实验
入围2022年国际数学学十大进展
上海时间2022年12月20日，日本数学学会（）旗下的网站公布了去年国际数学学领域十项重大进展（“oftheYear”），回顾了2022年国际范围内取得的代表性科研成果。其中，中国科学技术学院潘建伟、陆朝阳、朱晓波、张强等完成的实数目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相片、詹姆斯韦布空间望远镜拍摄标志性宇宙图象、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选。
图1德国化学学会公布2022年十大进展
化学学家使用物理来描述自然规律。复数中的虚数的基本单位i，对应于英语“想象的”。在精典数学学中，人们只用实数就可以写出所有定理，而复数仅仅作为一个便捷的估算工具被主观引入。随着量子热学诞生，量子热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，是仍然存在着争议的、长期的基础性问题。1926年，薛定谔提出薛定谔等式后，致信洛伦兹：“这个（薛定谔）多项式中令人不愉快的，也是我直接反对的，是复数的使用。”此后，冯诺依曼、斯蒂克尔堡等人也企图发展过全实数方式的量子理论。杨振宁在《20世纪物理与数学的分与合》一文中写道：“i在量子热学曾经也出现过，而且不是基本的，只是一个工具。到了量子热学发展之后，它就不只是个工具物理学最新进展，而是一个基本观念了。为何基础数学学必须用这个具象的物理观念，虚数i，现今没有人能解释。”
图2虚数i在量子热学中无处不在，
是工具还是数学实在？
就像1964年提出的贝尔不方程提供了检验1935年爱因斯坦和波尔论争的判据，检验复数在量子热学中的必要性的理论判据在2021年被提出来了（600,625–629(2021)）。这个理论测试方案可以被觉得是一个三方非定域游戏：在一个纠缠交换网路中，三个参与者接收从两个相互独立的纠缠源形成的纠缠粒子，并各自独立地对接收到的粒子进行本地检测。遵循实数方式量子化学的三个参与者不能获得标准量子理论中容许的界限，因而可以排除以实数方式描述标准量子热学的可能性。这个实验除了要求量子比特之间保持独立性，同时还要有极高的操纵精度和检测保真度，就能形成对实数目子力学模型的违反。
图3基于高保真度纠缠交换的三分非定域实验，可以检验复数的必要性
潘建伟团队在国际上率先举办了对实数目子力学的一系列检验。2021年，团队基于自主研制的超导量子体系，采用了I形的量子比特设计来降低量子比特之间的宽度，以降低在同一个超导芯片上的比特之间的近邻耦合。通过高精度的量子操控技术，两个纠缠脉冲序列用于制备两对纠缠态，将量子比特分发给参与的三方。每一方各自独立选择要在其量子位上执行的检测操作，包括一个完整的贝尔态检测。最后，按照检测结果的联合统计分布估算量子博弈游戏的分数，仅用实数的参与者最多可以获得7.66分，而实验结果显示，由4个超导量子比特组成的三方参与者可以获得8.09(1)分，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热学方式中的必要性。
图4基于超导比特的首个实数目子力学检验实验：来自陈明城、王粲、刘丰铭等PRL128,(2022)
超导实验借助了确定性的纠缠交换和量子比特检测物理学最新进展，关掉了侦测效率潜在的漏洞。并且，因为量子比特在距离上难以满足理论方案中类空间隔的要求，因此存在定域、测量和纠缠源独立性等问题。为了严格地检验复数的客观存在性，弥补存在的定域漏洞等问题，研究团队又举办了新的实验，借助了一个具有五个节点的纠缠交换光量子网路。每位节点之宽度离相距起码89米，以避免信息可以以光速的速率从参与方传播到另一方，因而参与者之间相互影响造成实验结果的不可信。在这种空间隔的基础上，两个相互独立的纠缠源各自独立形成纠缠光子对，分发给远处的三个参与者进行高速随机的光子检测操作。实验过程中，每位参与者都不受其他参与者的检测选择和结果影响，各自分别独立地进行本地的随机检测操作。实验结果以5.3个标准差超过了实数方式的量子热学预测结果，实验推论支持量子化学须要使用复数，更严格验证了量子热学中复数的不可或缺。
图5严格非定域实数目子力学检验实验装置图。实验三方处于类空间隔，满足严格的爱因斯坦非定域性条件。来自吴典、江扬帆、顾雪梅等PRL129,(2022)。
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”，除了加深了人们对量子基础数学的认知，迸发科学家们探求更多的量子热学基本问题，也为未来量子信息技术的探求提供了新的启示。
相关链接
日本数学学会十大进展发布：
论文链接：
日本化学学会网站报导：
日本化学学会APSNews网站报导：
《自然》评述文章：
（潘建伟系九三学社中央副主席、安徽市委主委，陆朝阳系九三学社山西市委副主委，朱晓波、张强均系九三学社社员。来源：中国科学技术学院陌陌公众号原标题：中国农大实数目子力学检验实验荣获2022年国际数学学十大进展）