虚数是你对负数求平方根时得到的，它们长期以来一直用于最重要的量子力学方程中，量子力学是描述极小量世界的物理学分支。 如果将虚数和实数相加，就会得到复数，物理学家可以用通俗易懂的语言写出量子方程。 但是，量子理论是否需要这些数学嵌合体，或者它们是否只是作为方便的缩写使用，这个问题长期以来一直存在争议。
事实上，即使是量子力学的创始人自己也发现在他们的方程中使用复数的后果令人不安。 物理学家埃尔温·薛定谔——第一个用量子波函数 (ψ) 将复数引入量子理论的人——在给他的朋友亨德里克·洛伦兹的一封信中写道：“这里有什么不愉快的，以及真正应该直接反对的，是使用复数ψ 肯定是实函数。”
薛定谔确实找到了一种只使用实数来表达他的方程的方法，以及使用方程的一组额外规则，后来的物理学家对量子理论的其他部分也做了同样的事情。 但由于缺乏令人信服的实验证据来支持这些“完全真实”方程的预测，问题仍然悬而未决：虚数是一种可选的简化，还是试图在没有虚数的情况下工作会剥夺量子理论描述现实的能力？
15 月 日发表在《自然》和《物理评论快报》杂志上的两项新研究证明薛定谔是错误的。 通过一个相对简单的实验，他们表明，如果量子力学是正确的，那么虚数就是我们宇宙数学的必要组成部分。
为了测试复数是否真的很重要，第一项研究的作者设计了一个新版本的经典量子实验，称为贝尔测试。 这项测试最早由物理学家约翰·贝尔于 1964 年提出，作为证明量子纠缠——阿尔伯特·爱因斯坦反对为“幽灵般的超距作用”的两个遥远粒子之间的奇怪联系——是量子理论所需要的一种方法。
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在经典贝尔测试的更新版本中，物理学家设计了一个实验，其中两个独立的源（他们称为 S 和 R）被放置在基本量子网络中的三个检测器（A、B 和 C）之间。 然后，源 S 发出两个光粒子或光子，一个以纠缠状态发送到 A，另一个发送到 B。 源 R 也发射两个纠缠光子，将它们发送到节点 B 和 C。如果宇宙是用基于复数的标准量子力学描述的，那么到达探测器 A 和 C 的光子不应该纠缠，但在量子理论中，基于在实数上，它们一定是令人困惑的。
为了测试这一点，第二项研究的研究人员进行了一项实验，他们将激光束照射在晶体上。 激光赋予晶体的一些原子的能量后来以纠缠光子的形式释放出来。 通过观察进入三个探测器的光子状态，研究人员发现进入探测器 A 和 C 的光子状态是纠缠在一起的，这意味着它们的数据只能用量子理论使用复数来描述。
结果具有直观意义：光子必须发生物理相互作用才能发生纠缠，因此到达探测器 A 和 C 的光子如果是由不同的物理源产生的，则一定不会发生纠缠。 然而，研究人员强调，他们的实验排除了不使用虚数的理论，前提是量子力学的普遍规则是正确的。 大多数科学家认为是的，但这是一个重要的警告。 “结果表明，用数学描述宇宙的可能方法实际上比我们想象的要有限得多，”专家们说。
研究人员表示，他们的实验装置是一个基本的量子网络，可能有助于确定未来量子互联网的工作原理。
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