2022
十大進(jìn)展
中國(guó)農(nóng)大實(shí)數(shù)目子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)
入圍2022年國(guó)際數(shù)學(xué)學(xué)十大進(jìn)展
上海時(shí)間2022年12月20日，日本數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)（）旗下的網(wǎng)站公布了去年國(guó)際數(shù)學(xué)學(xué)領(lǐng)域十項(xiàng)重大進(jìn)展（“oftheYear”），回顧了2022年國(guó)際范圍內(nèi)取得的代表性科研成果。其中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院潘建偉、陸朝陽(yáng)、朱曉波、張強(qiáng)等完成的實(shí)數(shù)目子力學(xué)檢驗(yàn)系列實(shí)驗(yàn)，與激光聚變首次跨越盈虧點(diǎn)、銀河系黑洞的第一張相片、詹姆斯韋布空間望遠(yuǎn)鏡拍攝標(biāo)志性宇宙圖象、航天器碰撞改變行星軌道、破譯蛋白質(zhì)折疊等十項(xiàng)研究成果入選。
圖1德國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)公布2022年十大進(jìn)展
化學(xué)學(xué)家使用物理來(lái)描述自然規(guī)律。復(fù)數(shù)中的虛數(shù)的基本單位i，對(duì)應(yīng)于英語(yǔ)“想象的”。在精典數(shù)學(xué)學(xué)中，人們只用實(shí)數(shù)就可以寫(xiě)出所有定理，而復(fù)數(shù)僅僅作為一個(gè)便捷的估算工具被主觀引入。隨著量子熱學(xué)誕生，量子熱學(xué)是否必須使用復(fù)數(shù)描述，以及這個(gè)“想象的”i是不是客觀實(shí)在，是仍然存在著爭(zhēng)議的、長(zhǎng)期的基礎(chǔ)性問(wèn)題。1926年，薛定諤提出薛定諤等式后，致信洛倫茲：“這個(gè)（薛定諤）多項(xiàng)式中令人不愉快的，也是我直接反對(duì)的，是復(fù)數(shù)的使用。”此后，馮諾依曼、斯蒂克爾堡等人也企圖發(fā)展過(guò)全實(shí)數(shù)方式的量子理論。楊振寧在《20世紀(jì)物理與數(shù)學(xué)的分與合》一文中寫(xiě)道：“i在量子熱學(xué)曾經(jīng)也出現(xiàn)過(guò)，而且不是基本的，只是一個(gè)工具。到了量子熱學(xué)發(fā)展之后，它就不只是個(gè)工具物理學(xué)最新進(jìn)展，而是一個(gè)基本觀念了。為何基礎(chǔ)數(shù)學(xué)學(xué)必須用這個(gè)具象的物理觀念，虛數(shù)i，現(xiàn)今沒(méi)有人能解釋。”
圖2虛數(shù)i在量子熱學(xué)中無(wú)處不在，
是工具還是數(shù)學(xué)實(shí)在？
就像1964年提出的貝爾不方程提供了檢驗(yàn)1935年愛(ài)因斯坦和波爾論爭(zhēng)的判據(jù)，檢驗(yàn)復(fù)數(shù)在量子熱學(xué)中的必要性的理論判據(jù)在2021年被提出來(lái)了（600,625–629(2021)）。這個(gè)理論測(cè)試方案可以被覺(jué)得是一個(gè)三方非定域游戲：在一個(gè)糾纏交換網(wǎng)路中，三個(gè)參與者接收從兩個(gè)相互獨(dú)立的糾纏源形成的糾纏粒子，并各自獨(dú)立地對(duì)接收到的粒子進(jìn)行本地檢測(cè)。遵循實(shí)數(shù)方式量子化學(xué)的三個(gè)參與者不能獲得標(biāo)準(zhǔn)量子理論中容許的界限，因而可以排除以實(shí)數(shù)方式描述標(biāo)準(zhǔn)量子熱學(xué)的可能性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)除了要求量子比特之間保持獨(dú)立性，同時(shí)還要有極高的操縱精度和檢測(cè)保真度，就能形成對(duì)實(shí)數(shù)目子力學(xué)模型的違反。
圖3基于高保真度糾纏交換的三分非定域?qū)嶒?yàn)，可以檢驗(yàn)復(fù)數(shù)的必要性
潘建偉團(tuán)隊(duì)在國(guó)際上率先舉辦了對(duì)實(shí)數(shù)目子力學(xué)的一系列檢驗(yàn)。2021年，團(tuán)隊(duì)基于自主研制的超導(dǎo)量子體系，采用了I形的量子比特設(shè)計(jì)來(lái)降低量子比特之間的寬度，以降低在同一個(gè)超導(dǎo)芯片上的比特之間的近鄰耦合。通過(guò)高精度的量子操控技術(shù)，兩個(gè)糾纏脈沖序列用于制備兩對(duì)糾纏態(tài)，將量子比特分發(fā)給參與的三方。每一方各自獨(dú)立選擇要在其量子位上執(zhí)行的檢測(cè)操作，包括一個(gè)完整的貝爾態(tài)檢測(cè)。最后，按照檢測(cè)結(jié)果的聯(lián)合統(tǒng)計(jì)分布估算量子博弈游戲的分?jǐn)?shù)，僅用實(shí)數(shù)的參與者最多可以獲得7.66分，而實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，由4個(gè)超導(dǎo)量子比特組成的三方參與者可以獲得8.09(1)分，以超過(guò)判據(jù)43個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)驗(yàn)精度首次證明了復(fù)數(shù)在標(biāo)準(zhǔn)量子熱學(xué)方式中的必要性。
圖4基于超導(dǎo)比特的首個(gè)實(shí)數(shù)目子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)：來(lái)自陳明城、王粲、劉豐銘等PRL128,(2022)
超導(dǎo)實(shí)驗(yàn)借助了確定性的糾纏交換和量子比特檢測(cè)物理學(xué)最新進(jìn)展，關(guān)掉了偵測(cè)效率潛在的漏洞。并且，因?yàn)榱孔颖忍卦诰嚯x上難以滿足理論方案中類(lèi)空間隔的要求，因此存在定域、測(cè)量和糾纏源獨(dú)立性等問(wèn)題。為了嚴(yán)格地檢驗(yàn)復(fù)數(shù)的客觀存在性，彌補(bǔ)存在的定域漏洞等問(wèn)題，研究團(tuán)隊(duì)又舉辦了新的實(shí)驗(yàn)，借助了一個(gè)具有五個(gè)節(jié)點(diǎn)的糾纏交換光量子網(wǎng)路。每位節(jié)點(diǎn)之寬度離相距起碼89米，以避免信息可以以光速的速率從參與方傳播到另一方，因而參與者之間相互影響造成實(shí)驗(yàn)結(jié)果的不可信。在這種空間隔的基礎(chǔ)上，兩個(gè)相互獨(dú)立的糾纏源各自獨(dú)立形成糾纏光子對(duì)，分發(fā)給遠(yuǎn)處的三個(gè)參與者進(jìn)行高速隨機(jī)的光子檢測(cè)操作。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，每位參與者都不受其他參與者的檢測(cè)選擇和結(jié)果影響，各自分別獨(dú)立地進(jìn)行本地的隨機(jī)檢測(cè)操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果以5.3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了實(shí)數(shù)方式的量子熱學(xué)預(yù)測(cè)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)推論支持量子化學(xué)須要使用復(fù)數(shù)，更嚴(yán)格驗(yàn)證了量子熱學(xué)中復(fù)數(shù)的不可或缺。
圖5嚴(yán)格非定域?qū)崝?shù)目子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)裝置圖。實(shí)驗(yàn)三方處于類(lèi)空間隔，滿足嚴(yán)格的愛(ài)因斯坦非定域性條件。來(lái)自吳典、江揚(yáng)帆、顧雪梅等PRL129,(2022)。
系列實(shí)驗(yàn)研究工作首次在愛(ài)因斯坦嚴(yán)格定域條件下證明了“虛數(shù)不虛”，除了加深了人們對(duì)量子基礎(chǔ)數(shù)學(xué)的認(rèn)知，迸發(fā)科學(xué)家們探求更多的量子熱學(xué)基本問(wèn)題，也為未來(lái)量子信息技術(shù)的探求提供了新的啟示。
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日本數(shù)學(xué)學(xué)會(huì)十大進(jìn)展發(fā)布：
論文鏈接：
日本化學(xué)學(xué)會(huì)網(wǎng)站報(bào)導(dǎo)：
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《自然》評(píng)述文章：
（潘建偉系九三學(xué)社中央副主席、安徽市委主委，陸朝陽(yáng)系九三學(xué)社山西市委副主委，朱曉波、張強(qiáng)均系九三學(xué)社社員。來(lái)源：中國(guó)科學(xué)技術(shù)學(xué)院陌陌公眾號(hào)原標(biāo)題：中國(guó)農(nóng)大實(shí)數(shù)目子力學(xué)檢驗(yàn)實(shí)驗(yàn)榮獲2022年國(guó)際數(shù)學(xué)學(xué)十大進(jìn)展）