虚数は、負の数の平方根をとったときに得られるものであり、非常に少量の世界を記述する物理学の分野である量子力学の最も重要な方程式で長い間使用されてきました。 虚数と実数を合計すると、物理学者が平易な言葉で量子方程式を書けるようになる複素数が得られます。 しかし、量子論がこれらの数学的キメラを必要とするのか、それとも単純に便利な略語として使用されているのかという問題は、長い間議論の的となってきました。
実際、量子力学の創始者自身でさえ、方程式に複素数を使用することの結果が厄介であることに気付きました。 量子波動関数 (ψ) を用いて量子論に複素数を導入した最初の人物である物理学者のアーウィン・シュレーディンガーは、友人のヘンドリック・ローレンツに宛てた手紙の中で次のように書いています。複素数の使用ですΨ は確かに実関数です。」
シュレディンガーは、方程式を使用するための追加の規則セットとともに、実数のみを使用して方程式を表現する方法を見つけました。後の物理学者は、量子論の他の部分でも同じことをしました。 しかし、これらの「完全に実在する」方程式の予測を裏付ける説得力のある実験的証拠がないため、疑問は未解決のままです: 虚数はオプションの簡略化なのか、それとも虚数なしで作業しようとすると、量子論は現実を記述する能力を奪われるのでしょうか?
ジャーナル Nature と Physical Review Letters で 15 月 日に発表された つの新しい研究は、Schrödinger が間違っていることを証明しました。 彼らは、比較的単純な実験を通じて、量子力学が正しければ、宇宙の数学に虚数が必要であることを示しています。
複素数が本当に重要かどうかをテストするために、最初の研究の著者は、ベル テストとして知られる古典的な量子実験の新しいバージョンを考案しました。 このテストは、1964 年に物理学者のジョン ベルによって、アルバート アインシュタインが「遠く離れた不気味な作用」として反対した つの離れた粒子間の奇妙な接続である量子もつれが量子論に必要であることを証明する方法として最初に提案されました。
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古典的なベル テストの更新版で、物理学者は、基本的な量子ネットワーク内の つの検出器 (A、B、および C) の間に つの独立したソース (S および R と呼ばれる) を配置する実験を考案しました。 次に、光源 S は つの光の粒子または光子を放出します。 つは A に送信され、もう つは B にエンタングル状態で送信されます。 ソース R はまた、 つのエンタングルされた光子を放出し、それらをノード B と C に送信します。宇宙が複素数に基づく標準的な量子力学によって記述されている場合、検出器 A と C に到達する光子はエンタングルされるべきではありませんが、量子論では、実数では、それらは紛らわしいに違いありません。
これをテストするために、番目の研究の研究者は、結晶にレーザー光線を当てる実験を行いました。 レーザーが結晶の原子の一部に与えたエネルギーは、後に絡み合った光子として放出されました。 つの検出器に入る光子の状態を調べることで、研究者は、検出器 A と C に入る光子の状態が絡み合っていることを確認しました。つまり、それらのデータは、複素数を使用した量子論によってのみ記述できることを意味します。
この結果は直感的に理解できます。光子は絡み合うように物理的に相互作用する必要があるため、検出器 A と C に到達する光子は、異なる物理ソースによって生成された場合、絡み合ってはなりません。 しかし、研究者たちは、量子力学の一般的な規則が正しい場合にのみ、彼らの実験が虚数を使用しない理論を除外することを強調しました. ほとんどの科学者はそう信じていますが、これは重要な警告です。 「この結果は、数学を使って宇宙を説明する方法が、私たちが考えていたよりもはるかに限られていることを示唆しています」と専門家は述べています。
研究者らは、初歩的な量子ネットワークである彼らの実験装置は、将来の量子インターネットが機能する可能性のある原理を特定するのに役立つ可能性があると述べた.
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