我國兩項研究入選2015年國際物理學十大突破
信息來源：中國林業(yè)網 發(fā)布日期：2015-12-22 瀏覽次數(shù)：2973次
日前，世界頂級物理雜志、英國物理學會下屬的《物理世界》公布了2015年度國際物理學領域的十項重大突破，中國科學技術大學教授潘建偉、陸朝陽等以“多自由度量子隱形傳態(tài)”的研究成果榮登榜首；中國科學院物理所方忠、翁紅明等憑借外爾費米子的先驅性研究入選。
國際物理學界為何青睞這兩項研究？物理學探索正往何處去？
量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)由一到多的突破，物體瞬間穿越有了可能
入選“十大突破”后，潘建偉推掉了好幾家媒體的采訪，他想把時間集中在手頭的科研上。事實上，“多自由度量子隱形傳態(tài)”已經是潘建偉團隊的研究成果第六次入選《物理世界》評選的年度突破，“今年是第一次沖到了榜首，也是中國科學家的研究首次位列榜首，很有紀念意義?！迸私▊フf。
潘建偉把“量子隱形傳態(tài)”比作“星際穿越”。1993年，這一科學幻想變成現(xiàn)實，物理學家在理論上證明，對微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。潘建偉有幸在1997年參加了世界上第一個證明該理論的實驗，單一自由度量子隱形傳態(tài)變成現(xiàn)實。此后量子隱形傳態(tài)先后在包括冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色芯等諸多物理系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，但都僅限于單屬性傳輸。潘建偉舉例，“一個人有身高、體重等多種屬性，但在1997年到2014年這18年間，科學界只能實現(xiàn)傳送或身高、或體重某一種性質，沒有人能傳送哪怕兩種屬性。”
而真正的量子物理體系自然擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等。2015年，潘建偉和陸朝陽的團隊終于找到了“通道”。陸朝陽介紹，團隊選取單光子自旋和軌道角動量作為研究對象，用額外的一組“糾纏的”量子搭建了一個“量子通道”——它們的狀態(tài)彼此相連無法擺脫，所有任何施加給其中一個量子的變化都會即刻影響另一個，最終成功實現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。
“我們的研究可以看作是量子隱形傳態(tài)由一到多的突破，首次證明一個粒子所有的性質在原理上都可以傳輸?shù)竭b遠地點，而無需傳輸載體本身?！标懗栂Ｍ麍F隊在幾個月內可以實現(xiàn)10個量子的糾纏?！岸囿w、多終端和多自由度的量子隱形傳態(tài)作為量子信息處理的基本單元，在量子通信和量子計算網絡中發(fā)揮著至關重要的作用?！?/span>
有人質疑，量子信息基礎研發(fā)成本高昂而且實用性小，如此高投入值得嗎？潘建偉很欣賞這些質疑的聲音，他不否認這一缺陷，但他相信這是階段性難題，“隨著技術進步，很多成本都會降下來。光纖剛問世的時候只能造幾十厘米，當時沒人料想，幾十年后我們的地下會建成這么完備的光纖網絡?！迸私▊ヒ娮C了上個世紀互聯(lián)網技術在美國短時間內的快速成長，在他看來量子信息技術同理。他相信，由于高安全性的優(yōu)勢，在未來5年左右的時間里，量子通信技術將在金融機構、國防政務、大數(shù)據中心有大用途。在10年到15年時間里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片?！爱吘故澜缟系谝慌_計算機剛造出來時，體積大得需要一個房間來裝，而且也只能進行某種運算?！迸私▊フf。
首次觀測到具有“手性”的電子，但遠未走到實際應用
方忠的辦公室布置得很簡單：一張書桌，一個書柜，一排沙發(fā)，最引人注目的是墻上一面寫滿了公式和推導過程的黑板?！斑@里面也有外爾費米子研究的相關內容”，方忠說，“當初建物理所大樓時征求意見，我說展板可以少一些，但黑板一定要到處都有，讓研究者能隨時隨地把靈感記錄下來?！?/span>
什么是外爾費米子？這項研究到底關于什么？方忠說，這得從對稱性講起。
我們生活的世界充滿對稱性，微觀世界的基本粒子也不例外。對稱中有一種叫手性對稱，通俗地講，左手和右手不一樣，但相向而對可以重疊，左手性和右手性是兩種不同的而又對稱的狀態(tài)。分子結構也有手性，左手旋和右手旋的分子可以具有完全不同的功能。那么微觀世界的粒子是否也有手性呢？
方忠介紹，組成世界的粒子有兩種，一種是費米子，存在于實物世界，一種是玻色子，傳遞相互作用，比如電磁波。電子就是一種費米子。一直以來，科學家認為電子無法區(qū)分手性，這導致電子產生有效質量。因此，日常生活中的電子都是有質量的。“這就好比一個大市場，人在里面運動時遇到障礙物會拐彎，消耗能量，電子就像市場里的人，消耗能量產生了電阻。假如能設計出一種方式，把左手性和右手性的電子分開，相當于給市場里的人設計了一條高速公路，碰撞的可能性會低很多?！?/span>
1929年，德國科學家赫爾曼·外爾提出，電子可以分左右手性，但80多年來一直無人觀測到。如何分開電子？“我們的團隊找到了一種材料印證外爾的論述，相當于第一次觀測到左手性和右手性的電子能夠分開。”方忠說，“這是基礎物理研究領域的進步。”
研究的過程并不一帆風順，最難的是找到合適的材料實現(xiàn)電子手性的分離。“世界上的材料成千上萬，找到合適的材料就好像大海撈針，首先需要定位在哪里撈，這樣能縮小范圍，成功概率也會大很多，定位需要長期的積累與探索?！狈街艺f。
他們的研究引來了很多媒體關注，不少文章稱，未來這項技術的應用能夠讓智能手機實現(xiàn)一年只充一次電。對這種解讀，方忠并不贊同。他認為，這項研究還只是基礎領域的探索，最關鍵的是豐富了知識，遠未到達實際應用的一步，“我們也尚未考慮實際應用，研究的重要性可能體現(xiàn)在很多年以后。如果真的要有預期，就是未來可能用來實現(xiàn)低能耗的電子器件，當然這是我們美好的憧憬?！?/span>
物理學充滿熱點又不斷在變，牽引科學家一步步走下去
在方忠看來，雖然入選今年的十大突破，但自己的研究只是物理領域眾多重要成果中的一件?！敖涍^這么多年發(fā)展，中國物理研究已逐步從跟蹤模仿成長為能和國際前沿并駕齊驅、相互競爭?，F(xiàn)在我們在個別點上有突破和亮點，但整體上仍需更加努力?！狈街艺J為，快速進步得益于改革開放后，研究環(huán)境的改善，國家投入增多、人才引進等因素。他相信，將來我國科學家的研究被國際認可的事件會越來越多。
潘建偉介紹，每年入選《物理世界》十大物理學突破的研究，一般有4個特點：研究的根本重要性、知識的重大拓展、理論與實驗的良好結合、引起國際物理學家的共同關注。分析近幾年當選十大突破的研究成果，潘建偉認為，當下，物理學界的研究重點主要集中在量子物理、高能物理和凝聚態(tài)三大方向。
“以今年為例，多自由度量子隱形傳態(tài)、‘無漏洞’的貝爾定理并不成立等5項研究都屬于量子物理領域；單電子回旋輻射首次被捕獲、發(fā)現(xiàn)五夸克粒子、便攜式核磁共振儀等3項研究屬于高能、天體物理領域；外爾費米子終獲發(fā)現(xiàn)、硫化氫創(chuàng)高溫超導新紀錄等研究屬于凝聚態(tài)領域?！痹谂私▊タ磥?，高能天體物理研究的是宇宙的本源，探究世界從哪里來、往何處去的大問題；凝聚態(tài)則集中在超導、半導體這樣與人類生活息息相關的領域，是推動人類技術革命的重要途徑；而量子物理一方面探究物質的本質結構，另一方面則可發(fā)展量子通訊、量子計算等實際應用，因而成為近年來的研究熱點。
“物理學有很多方向都非常重要，充滿熱點但又不斷在變，這就是物理最引人入勝的地方?！狈街艺f。有人覺得，物理學太枯燥，是坐冷板凳，方忠不同意這種觀點，“物理學充滿機會，有了大方向、大思路，研究過程中會發(fā)現(xiàn)很多細節(jié)的樂趣，它們牽引科學家一步步走下去。”
國際物理學界為何青睞這兩項研究？物理學探索正往何處去？
量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)由一到多的突破，物體瞬間穿越有了可能
入選“十大突破”后，潘建偉推掉了好幾家媒體的采訪，他想把時間集中在手頭的科研上。事實上，“多自由度量子隱形傳態(tài)”已經是潘建偉團隊的研究成果第六次入選《物理世界》評選的年度突破，“今年是第一次沖到了榜首，也是中國科學家的研究首次位列榜首，很有紀念意義?！迸私▊フf。
潘建偉把“量子隱形傳態(tài)”比作“星際穿越”。1993年，這一科學幻想變成現(xiàn)實，物理學家在理論上證明，對微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠地點，而不用傳送物質本身。潘建偉有幸在1997年參加了世界上第一個證明該理論的實驗，單一自由度量子隱形傳態(tài)變成現(xiàn)實。此后量子隱形傳態(tài)先后在包括冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色芯等諸多物理系統(tǒng)中得以實現(xiàn)，但都僅限于單屬性傳輸。潘建偉舉例，“一個人有身高、體重等多種屬性，但在1997年到2014年這18年間，科學界只能實現(xiàn)傳送或身高、或體重某一種性質，沒有人能傳送哪怕兩種屬性。”
而真正的量子物理體系自然擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等。2015年，潘建偉和陸朝陽的團隊終于找到了“通道”。陸朝陽介紹，團隊選取單光子自旋和軌道角動量作為研究對象，用額外的一組“糾纏的”量子搭建了一個“量子通道”——它們的狀態(tài)彼此相連無法擺脫，所有任何施加給其中一個量子的變化都會即刻影響另一個，最終成功實現(xiàn)了多自由度量子體系的隱形傳態(tài)。
“我們的研究可以看作是量子隱形傳態(tài)由一到多的突破，首次證明一個粒子所有的性質在原理上都可以傳輸?shù)竭b遠地點，而無需傳輸載體本身?！标懗栂Ｍ麍F隊在幾個月內可以實現(xiàn)10個量子的糾纏?！岸囿w、多終端和多自由度的量子隱形傳態(tài)作為量子信息處理的基本單元，在量子通信和量子計算網絡中發(fā)揮著至關重要的作用?！?/span>
有人質疑，量子信息基礎研發(fā)成本高昂而且實用性小，如此高投入值得嗎？潘建偉很欣賞這些質疑的聲音，他不否認這一缺陷，但他相信這是階段性難題，“隨著技術進步，很多成本都會降下來。光纖剛問世的時候只能造幾十厘米，當時沒人料想，幾十年后我們的地下會建成這么完備的光纖網絡?！迸私▊ヒ娮C了上個世紀互聯(lián)網技術在美國短時間內的快速成長，在他看來量子信息技術同理。他相信，由于高安全性的優(yōu)勢，在未來5年左右的時間里，量子通信技術將在金融機構、國防政務、大數(shù)據中心有大用途。在10年到15年時間里，每個人的手機里都有望植入一個量子加密芯片?！爱吘故澜缟系谝慌_計算機剛造出來時，體積大得需要一個房間來裝，而且也只能進行某種運算?！迸私▊フf。
首次觀測到具有“手性”的電子，但遠未走到實際應用
方忠的辦公室布置得很簡單：一張書桌，一個書柜，一排沙發(fā)，最引人注目的是墻上一面寫滿了公式和推導過程的黑板?！斑@里面也有外爾費米子研究的相關內容”，方忠說，“當初建物理所大樓時征求意見，我說展板可以少一些，但黑板一定要到處都有，讓研究者能隨時隨地把靈感記錄下來?！?/span>
什么是外爾費米子？這項研究到底關于什么？方忠說，這得從對稱性講起。
我們生活的世界充滿對稱性，微觀世界的基本粒子也不例外。對稱中有一種叫手性對稱，通俗地講，左手和右手不一樣，但相向而對可以重疊，左手性和右手性是兩種不同的而又對稱的狀態(tài)。分子結構也有手性，左手旋和右手旋的分子可以具有完全不同的功能。那么微觀世界的粒子是否也有手性呢？
方忠介紹，組成世界的粒子有兩種，一種是費米子，存在于實物世界，一種是玻色子，傳遞相互作用，比如電磁波。電子就是一種費米子。一直以來，科學家認為電子無法區(qū)分手性，這導致電子產生有效質量。因此，日常生活中的電子都是有質量的。“這就好比一個大市場，人在里面運動時遇到障礙物會拐彎，消耗能量，電子就像市場里的人，消耗能量產生了電阻。假如能設計出一種方式，把左手性和右手性的電子分開，相當于給市場里的人設計了一條高速公路，碰撞的可能性會低很多?！?/span>
1929年，德國科學家赫爾曼·外爾提出，電子可以分左右手性，但80多年來一直無人觀測到。如何分開電子？“我們的團隊找到了一種材料印證外爾的論述，相當于第一次觀測到左手性和右手性的電子能夠分開。”方忠說，“這是基礎物理研究領域的進步。”
研究的過程并不一帆風順，最難的是找到合適的材料實現(xiàn)電子手性的分離。“世界上的材料成千上萬，找到合適的材料就好像大海撈針，首先需要定位在哪里撈，這樣能縮小范圍，成功概率也會大很多，定位需要長期的積累與探索?！狈街艺f。
他們的研究引來了很多媒體關注，不少文章稱，未來這項技術的應用能夠讓智能手機實現(xiàn)一年只充一次電。對這種解讀，方忠并不贊同。他認為，這項研究還只是基礎領域的探索，最關鍵的是豐富了知識，遠未到達實際應用的一步，“我們也尚未考慮實際應用，研究的重要性可能體現(xiàn)在很多年以后。如果真的要有預期，就是未來可能用來實現(xiàn)低能耗的電子器件，當然這是我們美好的憧憬?！?/span>
物理學充滿熱點又不斷在變，牽引科學家一步步走下去
在方忠看來，雖然入選今年的十大突破，但自己的研究只是物理領域眾多重要成果中的一件?！敖涍^這么多年發(fā)展，中國物理研究已逐步從跟蹤模仿成長為能和國際前沿并駕齊驅、相互競爭?，F(xiàn)在我們在個別點上有突破和亮點，但整體上仍需更加努力?！狈街艺J為，快速進步得益于改革開放后，研究環(huán)境的改善，國家投入增多、人才引進等因素。他相信，將來我國科學家的研究被國際認可的事件會越來越多。
潘建偉介紹，每年入選《物理世界》十大物理學突破的研究，一般有4個特點：研究的根本重要性、知識的重大拓展、理論與實驗的良好結合、引起國際物理學家的共同關注。分析近幾年當選十大突破的研究成果，潘建偉認為，當下，物理學界的研究重點主要集中在量子物理、高能物理和凝聚態(tài)三大方向。
“以今年為例，多自由度量子隱形傳態(tài)、‘無漏洞’的貝爾定理并不成立等5項研究都屬于量子物理領域；單電子回旋輻射首次被捕獲、發(fā)現(xiàn)五夸克粒子、便攜式核磁共振儀等3項研究屬于高能、天體物理領域；外爾費米子終獲發(fā)現(xiàn)、硫化氫創(chuàng)高溫超導新紀錄等研究屬于凝聚態(tài)領域?！痹谂私▊タ磥?，高能天體物理研究的是宇宙的本源，探究世界從哪里來、往何處去的大問題；凝聚態(tài)則集中在超導、半導體這樣與人類生活息息相關的領域，是推動人類技術革命的重要途徑；而量子物理一方面探究物質的本質結構，另一方面則可發(fā)展量子通訊、量子計算等實際應用，因而成為近年來的研究熱點。
“物理學有很多方向都非常重要，充滿熱點但又不斷在變，這就是物理最引人入勝的地方?！狈街艺f。有人覺得，物理學太枯燥，是坐冷板凳，方忠不同意這種觀點，“物理學充滿機會，有了大方向、大思路，研究過程中會發(fā)現(xiàn)很多細節(jié)的樂趣，它們牽引科學家一步步走下去。”
