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光学工程
PT对称世界中的Bob & Alice

 自上世纪20年代建立以来,量子力学几乎在所有的物理领域都取得了巨大的成功,它与相对论一道,构成了现代物理学两大坚实的理论支柱。然而,对于量子力学基础的认识,以及它如何与广义相对论相融合的问题,到目前为止,仍然没有令人满意的一致性的意见。

量子力学的建立是基于一系列假设,在这些假设当中是否有一些是可以放宽的呢?美国物理学家Bender等人认为哈密顿量的厄米性假定要求过严了,它可以放宽到宇称-时间(Parity-Time,PT)对称性的假设,即假定哈密顿量具有空间和时间反演对称性 (在此假定下,哈密顿量本征值的实数性以及总概率守恒都有可能得到保持)。

根据这一理论,我们现在认识的量子世界只是PT对称世界的一种特殊情况(即哈密顿量具有厄米性),对应于非厄米性哈密顿量的物理世界则不包括在我们现有的理论框架内。PT对称性假设可以让我们在更一般性的条件下探讨量子力学。并且更重要的是,这一假设下的量子力学可以把几何的度规引入进来,为量子力学与广义相对论理论的融合提供了某种可能。

为了研究PT对称量子世界中的物理,我们需要一个由PT对称性量子理论控制的量子系统。然而,这样的非厄米性量子系统是否存在还依然是一个问题。

不过,量子模拟器倒是为我们提供了研究这一理论的强大工具。量子模拟器本身可以看作解决特定问题的专用量子计算机,它最初是由费曼于1982年提出的。目前,人们更多地关注量子模拟器的计算能力:模拟器包含的量子比特数目越多,其计算能力就越强。如果能够精确操控30个量子(逻辑)比特,这个量子模拟器的运算能力就能超过我们现有的普通经典计算机。

中国科学院量子信息实验室李传锋研究组则从另一个角度揭示了量子模拟器的巨大作用: 对新的可能的物理理论进行模拟,以达到筛选新物理理论的目的。该研究组首次在实验上模拟了一个非局域的PT理论控制的非厄米量子世界。非局域量子模拟器可以用来研究一些量子物理基本问题,对这类问题经典模拟系统原理上是无能为力的。相关成果发表在Nature Photonics[doi:10.1038/nphoton.2016.144]上。


图1 非局域量子模拟器实验装置示意图

该研究组将纠缠光子对分发到两个相距25米的实验室用以构建一个非局域量子模拟器。除了纠缠光子对外,这个量子模拟器还包括一系列量子逻辑门及一个后选择操作。通过后选择(成功几率50%),他们使纠缠光子对中的一个光子进行PT对称理论控制下的非幺正演化。量子模拟结果表明利用量子纠缠“幽灵般的超距作用”,光子在PT对称理论控制的非幺正演化下能使信息以超过1.9倍光速的速率从一个实验室传输到另一个实验室。这与我们现阶段的理论是不一致的。当然,进一步的实验结果还证实如果考虑整个系统(包括成功部分和失败部分),则总体信息的传输速度是不能超过光速的,这与我们现有的理论就一致了。

这一研究成果展示了非局域量子模拟器在研究量子物理基本问题中的重要作用,同时揭示出了两个基本而有趣的问题:一是在现实世界中能否找到符合PT对称演化的封闭非厄米量子系统,一旦找到则意味着有可能进行超光速通讯;二是在“幽灵般的超距作用”与超光速通讯之间是否能容下一个比量子力学更基本的物理理论。


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