日前，世界頂級(jí)物理雜志、英國物理學(xué)會(huì)下屬的《物理世界》公布了2015年度國際物理學(xué)領(lǐng)域的十項(xiàng)重大突破，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(xué)院物理所方忠、翁紅明等憑借外爾費(fèi)米子的先驅(qū)性研究入選。
國際物理學(xué)界為何青睞這兩項(xiàng)研究？物理學(xué)探索正往何處去？
量子隱形傳態(tài)實(shí)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(shí)間集中在手頭的科研上。事實(shí)上，“多自由度量子隱形傳態(tài)”已經(jīng)是潘建偉團(tuán)隊(duì)的研究成果第六次入選《物理世界》評(píng)選的年度突破，“今年是第一次沖到了榜首，也是中國科學(xué)家的研究首次位列榜首，很有紀(jì)念意義。”潘建偉說。
潘建偉把“量子隱形傳態(tài)”比作“星際穿越”。1993年，這一科學(xué)幻想變成現(xiàn)實(shí)，物理學(xué)家在理論上證明，對(duì)微觀世界的物體而言，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質(zhì)的未知量子態(tài)精確傳送到遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，而不用傳送物質(zhì)本身。潘建偉有幸在1997年參加了世界上第一個(gè)證明該理論的實(shí)驗(yàn)，單一自由度量子隱形傳態(tài)變成現(xiàn)實(shí)。此后量子隱形傳態(tài)先后在包括冷原子、離子阱、超導(dǎo)、量子點(diǎn)和金剛石色芯等諸多物理系統(tǒng)中得以實(shí)現(xiàn)，但都僅限于單屬性傳輸。潘建偉舉例，“一個(gè)人有身高、體重等多種屬性，但在1997年到2014年這18年間，科學(xué)界只能實(shí)現(xiàn)傳送或身高、或體重某一種性質(zhì)，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(zhì)，即使是一個(gè)最簡(jiǎn)單的粒子，如單光子，它的性質(zhì)也包括波長(zhǎng)、動(dòng)量、自旋和軌道角動(dòng)量等。2015年，潘建偉和陸朝陽的團(tuán)隊(duì)終于找到了“通道”。陸朝陽介紹，團(tuán)隊(duì)選取單光子自旋和軌道角動(dòng)量作為研究對(duì)象，用額外的一組“糾纏的”量子搭建了一個(gè)“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(gè)量子的變化都會(huì)即刻影響另一個(gè)，最終成功實(shí)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(gè)粒子所有的性質(zhì)在原理上都可以傳輸?shù)竭b遠(yuǎn)地點(diǎn)，而無需傳輸載體本身。”陸朝陽希望團(tuán)隊(duì)在幾個(gè)月內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)10個(gè)量子的糾纏。“多體、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(jì)算網(wǎng)絡(luò)中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。”
有人質(zhì)疑，量子信息基礎(chǔ)研發(fā)成本高昂而且實(shí)用性小，如此高投入值得嗎？潘建偉很欣賞這些質(zhì)疑的聲音，他不否認(rèn)這一缺陷，但他相信這是階段性難題，“隨著技術(shù)進(jìn)步，很多成本都會(huì)降下來。光纖剛問世的時(shí)候只能造幾十厘米，當(dāng)時(shí)沒人料想，幾十年后我們的地下會(huì)建成這么完備的光纖網(wǎng)絡(luò)。”潘建偉見證了上個(gè)世紀(jì)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在美國短時(shí)間內(nèi)的快速成長(zhǎng)，在他看來量子信息技術(shù)同理。他相信，由于高安全性的優(yōu)勢(shì)，在未來5年左右的時(shí)間里，量子通信技術(shù)將在金融機(jī)構(gòu)、國防政務(wù)、大數(shù)據(jù)中心有大用途。在10年到15年時(shí)間里，每個(gè)人的手機(jī)里都有望植入一個(gè)量子加密芯片。“畢竟世界上第一臺(tái)計(jì)算機(jī)剛造出來時(shí)，體積大得需要一個(gè)房間來裝，而且也只能進(jìn)行某種運(yùn)算。”潘建偉說。
首次觀測(cè)到具有“手性”的電子，但遠(yuǎn)未走到實(shí)際應(yīng)用
方忠的辦公室布置得很簡(jiǎn)單：一張書桌，一個(gè)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(dǎo)過程的黑板。“這里面也有外爾費(fèi)米子研究的相關(guān)內(nèi)容”，方忠說，“當(dāng)初建物理所大樓時(shí)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(shí)隨地把靈感記錄下來。”
什么是外爾費(fèi)米子？這項(xiàng)研究到底關(guān)于什么？方忠說，這得從對(duì)稱性講起。
我們生活的世界充滿對(duì)稱性，微觀世界的基本粒子也不例外。對(duì)稱中有一種叫手性對(duì)稱，通俗地講，左手和右手不一樣，但相向而對(duì)可以重疊，左手性和右手性是兩種不同的而又對(duì)稱的狀態(tài)。分子結(jié)構(gòu)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(fèi)米子，存在于實(shí)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(fèi)米子。一直以來，科學(xué)家認(rèn)為電子無法區(qū)分手性，這導(dǎo)致電子產(chǎn)生有效質(zhì)量。因此，日常生活中的電子都是有質(zhì)量的。“這就好比一個(gè)大市場(chǎng)，人在里面運(yùn)動(dòng)時(shí)遇到障礙物會(huì)拐彎，消耗能量，電子就像市場(chǎng)里的人，消耗能量產(chǎn)生了電阻。假如能設(shè)計(jì)出一種方式，把左手性和右手性的電子分開，相當(dāng)于給市場(chǎng)里的人設(shè)計(jì)了一條高速公路，碰撞的可能性會(huì)低很多。”
1929年，德國科學(xué)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(cè)到。如何分開電子？“我們的團(tuán)隊(duì)找到了一種材料印證外爾的論述，相當(dāng)于第一次觀測(cè)到左手性和右手性的電子能夠分開。”方忠說，“這是基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域的進(jìn)步。”
研究的過程并不一帆風(fēng)順，最難的是找到合適的材料實(shí)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(huì)大很多，定位需要長(zhǎng)期的積累與探索。”方忠說。
他們的研究引來了很多媒體關(guān)注，不少文章稱，未來這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用能夠讓智能手機(jī)實(shí)現(xiàn)一年只充一次電。對(duì)這種解讀，方忠并不贊同。他認(rèn)為，這項(xiàng)研究還只是基礎(chǔ)領(lǐng)域的探索，最關(guān)鍵的是豐富了知識(shí)，遠(yuǎn)未到達(dá)實(shí)際應(yīng)用的一步，“我們也尚未考慮實(shí)際應(yīng)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(yù)期，就是未來可能用來實(shí)現(xiàn)低能耗的電子器件，當(dāng)然這是我們美好的憧憬。”
物理學(xué)充滿熱點(diǎn)又不斷在變，牽引科學(xué)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(lǐng)域眾多重要成果中的一件。“經(jīng)過這么多年發(fā)展，中國物理研究已逐步從跟蹤模仿成長(zhǎng)為能和國際前沿并駕齊驅(qū)、相互競(jìng)爭(zhēng)。現(xiàn)在我們?cè)趥€(gè)別點(diǎn)上有突破和亮點(diǎn)，但整體上仍需更加努力。”方忠認(rèn)為，快速進(jìn)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(jìn)等因素。他相信，將來我國科學(xué)家的研究被國際認(rèn)可的事件會(huì)越來越多。
潘建偉介紹，每年入選《物理世界》十大物理學(xué)突破的研究，一般有4個(gè)特點(diǎn)：研究的根本重要性、知識(shí)的重大拓展、理論與實(shí)驗(yàn)的良好結(jié)合、引起國際物理學(xué)家的共同關(guān)注。分析近幾年當(dāng)選十大突破的研究成果，潘建偉認(rèn)為，當(dāng)下，物理學(xué)界的研究重點(diǎn)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(xiàng)研究都屬于量子物理領(lǐng)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(xiàng)研究屬于高能、天體物理領(lǐng)域；外爾費(fèi)米子終獲發(fā)現(xiàn)、硫化氫創(chuàng)高溫超導(dǎo)新紀(jì)錄等研究屬于凝聚態(tài)領(lǐng)域。”在潘建偉看來，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(dǎo)、半導(dǎo)體這樣與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，是推動(dòng)人類技術(shù)革命的重要途徑；而量子物理一方面探究物質(zhì)的本質(zhì)結(jié)構(gòu)，另一方面則可發(fā)展量子通訊、量子計(jì)算等實(shí)際應(yīng)用，因而成為近年來的研究熱點(diǎn)。
“物理學(xué)有很多方向都非常重要，充滿熱點(diǎn)但又不斷在變，這就是物理最引人入勝的地方。”方忠說。有人覺得，物理學(xué)太枯燥，是坐冷板凳，方忠不同意這種觀點(diǎn)，“物理學(xué)充滿機(jī)會(huì)，有了大方向、大思路，研究過程中會(huì)發(fā)現(xiàn)很多細(xì)節(jié)的樂趣，它們牽引科學(xué)家一步步走下去。”(記者 葉琦 鞏育華 管璇悅)