Logo
Cover

Квантовая теория была изначально сформулирована при помощи комплексных чисел. Тем не менее, отвечая на письмо Хендрика Лоренца, Эрвин Шредингер призывал избегать использования комплексных чисел в квантовой теории: «Волновая функция — без сомнения в основе вещественная функция». Международная группа ученых разработала и провела эксперимент, доказывающий, что комплексные числа имеют фундаментальное значение для квантовой теории.

Физики из Китая, Австрии и других научных учреждений мира модифицировали один из экспериментов, сравнивающих стандартную квантовую теорию с квантовой теорией с вещественными числами, чтобы его можно было выполнить в новейшей фотонной системе. В своем исследовании они продемонстрировали существование квантовых корреляций в оптической сети, которая не объясняется вещественной квантовой теорией, пишет Phys.org.

«С самых первых дней квантовой теории к комплексным числам относились скорее как к математическому попустительству, чем к фундаментальному строительному элементу, — сказал Ван Цзычжу, один из исследователей. — Споры о роли вещественных чисел в квантовой теории продолжаются до сих пор».

В 1960-х швейцарский физик Эрнст Штюкельберг сформулировал квантовую теорию в вещественных гильбертовых пространствах. Однако эта формулировка не учитывала так называемого «тензорного произведения» для компоновки различных систем. Это означает, фактически, что она не соответствует «вещественной квантовой теории».

«Интерес к этому вопросу возродился, когда мы начали смотреть на квантовую теорию с точки зрения теории информации, — продолжил Ван. — Некоторые обобщенные вероятностные теории (GPT), сформулированные только при помощи вещественных чисел, оказались столько же эффективными в некоторых задачах по обработке информации, что и квантовая теория, и даже превзошли ее. Даже несмотря на то, что мы знаем, что GPT содержат корреляции за пределами квантовой теории, до сих пор мы не имели инструментов, позволяющих со всей определенностью исключить вещественную квантовую теорию как жизнеспособную альтернативу комплексной квантовой теории».

Команда исследователей предположила, что генерализация теста Джона Белла в квантовой сети позволит отделить комплексную квантовую теорию от вещественной. В сети, где части соединены несколькими независимыми источниками запутанности, вещественная квантовая теория не согласуется со всеми прогнозами комплексной квантовой теории. Это открывает путь к возможности найти экспериментально отличия в этих двух теориях.

Для этого ученые использовали передовую оптическую квантовую сеть с тремя сторонами (Алиса, Боб и Чарли), в которой — по требованию условий эксперимента — источники запутанных фотонов физически отделены друг от друга. И наблюдали корреляции, нарушающие ограничения вещественной квантовой теории более чем на 4,5 стандартных отклонений.

«Наш эксперимент уверенно опроверг вещественную квантовую теорию в качестве универсальной квантовой теории, ясно показав, что не все прогнозы, основанные на стандартной квантовой теории с комплексными числами, можно смоделировать в вещественно-числовом аналоге стандартной квантовой теории, — заявил Фань Цзинюнь, еще один исследователь. — Следовательно, комплексные числа фундаментальны для квантовой теории».

В начале года группа австралийских физиков впервые продемонстрировала в рабочем прототипе принцип сверхпоглощения, лежащий в основе квантовых батарей.