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光學工程
PT對稱世界中的Bob & Alice

 自上世紀20年代建立以來,量子力學幾乎在所有的物理領域都取得了巨大的成功,它與相對論一道,構成了現代物理學兩大堅實的理論支柱。然而,對于量子力學基礎的認識,以及它如何與廣義相對論相融合的問題,到目前為止,仍然沒有令人滿意的一致性的意見。

量子力學的建立是基于一系列假設,在這些假設當中是否有一些是可以放寬的呢?美國物理學家Bender等人認為哈密頓量的厄米性假定要求過嚴了,它可以放寬到宇稱-時間(Parity-Time,PT)對稱性的假設,即假定哈密頓量具有空間和時間反演對稱性 (在此假定下,哈密頓量本征值的實數性以及總概率守恒都有可能得到保持)。

根據這一理論,我們現在認識的量子世界只是PT對稱世界的一種特殊情況(即哈密頓量具有厄米性),對應于非厄米性哈密頓量的物理世界則不包括在我們現有的理論框架內。PT對稱性假設可以讓我們在更一般性的條件下探討量子力學。并且更重要的是,這一假設下的量子力學可以把幾何的度規引入進來,為量子力學與廣義相對論理論的融合提供了某種可能。

為了研究PT對稱量子世界中的物理,我們需要一個由PT對稱性量子理論控制的量子系統。然而,這樣的非厄米性量子系統是否存在還依然是一個問題。

不過,量子模擬器倒是為我們提供了研究這一理論的強大工具。量子模擬器本身可以看作解決特定問題的專用量子計算機,它最初是由費曼于1982年提出的。目前,人們更多地關注量子模擬器的計算能力:模擬器包含的量子比特數目越多,其計算能力就越強。如果能夠精確操控30個量子(邏輯)比特,這個量子模擬器的運算能力就能超過我們現有的普通經典計算機。

中國科學院量子信息實驗室李傳鋒研究組則從另一個角度揭示了量子模擬器的巨大作用: 對新的可能的物理理論進行模擬,以達到篩選新物理理論的目的。該研究組首次在實驗上模擬了一個非局域的PT理論控制的非厄米量子世界。非局域量子模擬器可以用來研究一些量子物理基本問題,對這類問題經典模擬系統原理上是無能為力的。相關成果發表在Nature Photonics[doi:10.1038/nphoton.2016.144]上。


圖1 非局域量子模擬器實驗裝置示意圖

該研究組將糾纏光子對分發到兩個相距25米的實驗室用以構建一個非局域量子模擬器。除了糾纏光子對外,這個量子模擬器還包括一系列量子邏輯門及一個后選擇操作。通過后選擇(成功幾率50%),他們使糾纏光子對中的一個光子進行PT對稱理論控制下的非幺正演化。量子模擬結果表明利用量子糾纏“幽靈般的超距作用”,光子在PT對稱理論控制的非幺正演化下能使信息以超過1.9倍光速的速率從一個實驗室傳輸到另一個實驗室。這與我們現階段的理論是不一致的。當然,進一步的實驗結果還證實如果考慮整個系統(包括成功部分和失敗部分),則總體信息的傳輸速度是不能超過光速的,這與我們現有的理論就一致了。

這一研究成果展示了非局域量子模擬器在研究量子物理基本問題中的重要作用,同時揭示出了兩個基本而有趣的問題:一是在現實世界中能否找到符合PT對稱演化的封閉非厄米量子系統,一旦找到則意味著有可能進行超光速通訊;二是在“幽靈般的超距作用”與超光速通訊之間是否能容下一個比量子力學更基本的物理理論。


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