南科大范靖云课题组关于“复数的根本地位”的研究成果入选2022年国际物理学十大进展

2022-12-22

2022年12月20日，美国物理学会（American Physical Society）旗下Physics网站回顾了本年度内国际物理学领域取得的重要进展，发布了其中最具有代表性的十项重要工作（“Highlights of the Year”）。南方科技大学物理系和量子科学与工程研究院教授范靖云课题组关于“量子力学的基本问题之一：复数的根本地位”的实验研究，与激光聚变首次跨越盈亏点、银河系黑洞的第一张照片、詹姆斯韦布空间望远镜拍摄标志性宇宙图像、航天器碰撞改变行星轨道和破译蛋白质折叠等十项研究成果共同入选。美国物理学会公布2022年十大进展.png

美国物理学会Physics网站十大进展发布的标题图片

数是人类从自然界中抽象出来的最基本概念之一。自然数、零、负数、有理数、实数、复数等，每一次对数这个概念的扩充都伴随着科学的进步以及人类对自然界更深的理解。复数的出现最初只是为了让所有多项式都有解，将复数作为量子力学的数学根基更像是一个巧合，而不是刻意的安排。在量子力学理论诞生之初，薛定谔已经开始思考复数在量子力学中的根本地位。虽然基于复数的量子力学理论所作出的预言都经过了严苛的实验检验，但我们并没有理由完全排除有一种基于实数的“实量子力学”理论也可以完美解释这些实验结果的可能。

2022年的诺贝尔物理学奖授予了Alain Aspect， John Clauser和Anton Zeilinger三位物理学家，以表彰他们在“Bell非定域性的量子光学检验”领域做出的开创性贡献。正是通过将Bell非定域性理论扩展到量子网络，奥地利、西班牙和瑞士的理论物理学家在2020年发现可以通过实验手段检验“实量子力学能否替代含有复数的量子力学。”随后，南方科技大学范靖云课题组与电子科技大学研究团队以及来自奥地利、西班牙和瑞士的理论物理学家紧密合作，依托本课题组在无漏洞Bell非定域检验的丰富经验，设计了一个基于光量子网络的实验方案。2021年，联合研究组在南方科技大学成功开展了实验研究，以确凿的实验证据明确了复数在量子力学中的根本性地位，且不能被实数完全替代。该研究工作进一步加深了我们对于量子基础理论的认知，并将推动量子网络新的应用创新。图1：实验结果与复数量子理论模型预言一致而与实数量子理论模型预言相异。.png

中国科学技术大学的研究团队同期基于超导量子体系开展了相关研究，其结果与南科大范靖云课题组得出的结论一致。这两个基于不同量子载体开展的实验分别独立地证明了复数表示对于量子理论的必要性，因此同时入选本年度国际物理学十大进展。