潘建伟：下一个量子突破将在五年后发生

光子盒研究院出品 

最近，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳、朱晓波等和西班牙塞维利亚大学Adán Cabello教授合作，首次实验排除实数形式的标准量子力学。研究人员利用超高精度超导量子线路实现确定性纠缠交换，以超过43个标准差的实验精度证明了实数无法完整描述标准量子力学，确立了复数的客观实在性。

2019年Adán Cabello和潘建伟于斯德哥尔摩

2月3日，西班牙《国家报》[1]报道了对潘建伟院士和Adán Cabello教授的采访。

报道首先回顾了这项中国和西班牙团队合作的研究。去年，一组研究人员在《自然》杂志上[2]提出了一个想法，即基于实数的量子理论的替代方案可以通过实验被证伪。这是量子领域的顶尖科学家潘建伟提出的一项挑战，塞维利亚大学的物理学家Adán Cabello参与了这项挑战。他们的联合研究证明了“复数(例如-1的平方根)在标准量子力学中不可或缺的作用。”这些结果使得使用这种技术的计算机的开发取得了进展，根据Cabello的说法，“在以前无法进入的领域测试量子物理。”

现年51岁的潘建伟1987年毕业于中国科学技术大学，维也纳大学博士研究生，他领导着世界上规模最大、最成功的量子研究团队之一，被诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek称为“自然的力量(a force of nature)”。潘建伟在维也纳大学的论文导师、物理学家Anton Zeilinger补充道：“没有潘建伟，我无法想象量子技术的出现。”

潘建伟在这项研究中的领导地位至关重要。他解释说：“这个实验可以被视为两个玩家之间的游戏：实数量子力学和复数量子力学。这个游戏是在一个带有四个超导电路的量子计算机平台上进行的。通过发送随机测量基数并测量结果，就可以获得游戏分数，该分数是测量基数和测量结果的数学组合。游戏规则是，如果游戏分数超过7.66分，则排除实数量子力学，我们的工作就是这样。”

这个实验由中国科学技术大学和塞维利亚大学合作进行，并被科学杂志《物理评论快报》[2]报道。它旨在回答一个基本问题：复数对于自然的量子力学描述真的有必要吗？结果排除了标准量子物理中只使用实数的替代方案。

潘建伟于中国科学技术大学

根据潘建伟的说法：“物理学家用数学来描述自然。在经典物理学中，实数似乎可以完整地描述所有经典现象中的物理现实，而复数只是有时被用作一种方便的数学工具。然而，是否需要复数来代表量子力学的理论仍然是个未知数。我们的结果排除了对自然的实数描述，并确立了复数在量子力学中不可或缺的作用。”

Cabello补充道：“这不仅仅是排除一个特定的替代方案，实验的重要性在于，它展示了超导量子比特系统是如何工作的。使我们能够测试量子物理的预测，而这些预测是我们迄今为止进行的实验无法测试的。因为它们需要对几个量子比特进行严格控制。现在我们将能够测试它们。”

中国科学技术大学的陆朝阳教授是这项实验的合著者，他说：“量子计算机最有希望的近期应用是量子力学本身的测试和多体系统的研究。”这一发现不仅为量子计算机的发展提供了一条前进的道路，也为在原子和亚原子水平上理解粒子的行为和相互作用提供了一种接近自然的新途径。

但是，与任何突破一样，开辟新的前进道路会产生不确定性。然而，潘建伟倾向于关注积极的一面：“建造一台实用的容错量子计算机是人类面临的巨大挑战之一，”他说。“我更关心我们将如何以及何时建造一台。构建大规模通用量子计算机的最大挑战是噪声和缺陷的存在。我们需要使用量子纠错和容错操作来克服噪声并扩大系统规模。一个保真度高于物理量子比特的逻辑量子比特将是量子计算的下一个突破，将在大约五年后出现。在家庭中，量子计算机如果实现，将首先通过云服务实现。”

实现拥有拥有数百万量子比特的计算机的目标还有很长的路要走。然而，中国和西班牙团队的研究结果使得扩大现有量子计算机的用途和理解困扰科学家多年的物理现象成为可能。

参考链接：

[1]https://english.elpais.com/science-tech/2022-02-03/jian-wei-pan-the-next-quantum-breakthrough-will-happen-in-five-years.html

[2]https://www.nature.com/articles/s41586-021-04160-4

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.040403

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