虛數是對負數求平方根後得到的結果，長期以來，它們一直被用於最重要的量子力學方程，這是描述極小量世界的物理學分支。 如果你把虛數和實數相加，你會得到復數，讓物理學家可以用簡單的語言寫出量子方程。 但是，量子理論是否需要這些數學嵌合體，或者它們是否只是用作方便的縮寫，長期以來一直存在爭議。
事實上，即使是量子力學的創始人自己也發現在他們的方程中使用複數的後果是令人不安的。 物理學家歐文·薛定諤——第一個用他的量子波函數 (ψ) 將復數引入量子理論的人——在給他的朋友亨德里克·洛倫茲的一封信中寫道：是使用複數數字Ψ 當然是一個實函數。”
薛定諤確實找到了一種方法來表達他的方程，只使用實數以及一組額外的使用方程的規則，後來的物理學家對量子理論的其他部分也做了同樣的事情。 但在缺乏令人信服的實驗證據支持這些“完全真實”方程的預測的情況下，問題仍然懸而未決：虛數是一種可選的簡化，還是試圖在沒有虛數的情況下工作會剝奪量子理論描述現實的能力？
15 月 日發表在《自然》和《物理評論快報》雜誌上的兩項新研究證明薛定諤是錯誤的。 通過一個相對簡單的實驗，他們表明如果量子力學是正確的，虛數是我們宇宙數學的必要組成部分。
為了測試複數是否真的很重要，第一項研究的作者設計了一個新版本的經典量子實驗，稱為貝爾測試。 這項測試最初是由物理學家約翰·貝爾在 1964 年提出的，目的是證明量子糾纏——阿爾伯特·愛因斯坦（Albert Einstein）反對的兩個遙遠粒子之間的奇怪聯繫是“遠距離幽靈般的作用”——是量子理論所需要的。
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在經典貝爾測試的更新版本中，物理學家設計了一個實驗，其中兩個獨立的源（他們稱為 S 和 R）被放置在基本量子網絡中的三個探測器（A、B 和 C）之間。 源 S 然後發射兩個光粒子或光子，一個發送到 A，另一個發送到 B，處於糾纏狀態。 源 R 還發射兩個糾纏光子，將它們發送到節點 B 和 C。如果宇宙是由基於復數的標準量子力學描述的，那麼到達探測器 A 和 C 的光子不應該是糾纏的，但在量子理論中，基於在實數上，它們一定令人困惑。
為了測試這一點，第二項研究的研究人員進行了一項實驗，他們將激光束照射在晶體上。 激光賦予晶體某些原子的能量後來以糾纏光子的形式釋放出來。 通過觀察進入三個探測器的光子的狀態，研究人員發現進入探測器 A 和 C 的光子的狀態是糾纏的，這意味著它們的數據只能用複數的量子理論來描述。
結果很直觀：光子必須物理相互作用才能糾纏，因此到達探測器 A 和 C 的光子如果是由不同的物理源產生的，則一定不能糾纏。 然而，研究人員強調，他們的實驗排除了不使用虛數的理論，前提是量子力學的普遍規則是正確的。 大多數科學家認為確實如此，但這是一個重要的警告。 “結果表明，使用數學描述宇宙的可能方法實際上比我們想像的要有限得多，”專家說。
研究人員表示，他們的實驗裝置是一個基本的量子網絡，可能有助於確定未來量子互聯網可能工作的原理。
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