2015国际物理学十大突破公布

中国科研成果居首

陆朝阳（左）和潘建伟（右）

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外尔费米子研究团队

12月11日，欧洲物理学会新闻网站“物理世界”公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等完成的科研成果“多自由度量子隐形传态”当选“年度突破”，位居榜首。其余九项亚军突破则排名不分先后。
据了解，中科大潘建伟研究团队在国际上首次成功实现了“多自由度量子体系的隐形传态”，这项工作打破了国际学术界从1997年以来只能传输基本粒子单一自由度的局限，为发展可扩展的量子计算和量子网络技术奠定了坚实的基础。
此外，中科院物理所研究团队的“外尔费米子研究”也入选其中。外尔费米子（Weylfermions）是一种无质量且具有“手性”的电子，未来将可能在量子计算机、低能耗器件等方面有重要应用。
下面，对这两项科研成果做一个简要介绍。
量子瞬间传输，中国人又近了一步
今年2月，国际权威学术期刊《自然》杂志以封面标题的形式对“多自由度量子体系的隐形传态”成果进行了重点推介。通俗地说，这一技术可以让科学家在异地瞬间获知粒子状态，从而开启了瞬间传输技术的大门。
在今年3月5日的政协小组会上，全国政协委员潘建伟用一个比喻向《科技日报》解释了这项研究：“从合肥带到北京一个保险箱，钥匙忘带了。于是我请合肥的同事测量一下钥匙，告诉我；我在北京复制它。”
一、理论基础：量子纠缠
要想弄清楚“量子隐形传态”的原理，就绕不开“量子纠缠”的概念。量子纠缠是指相距遥远的两个量子所呈现出得关联性。科学家早就发现，处于特定系统中的两个或多个量子，即使相距遥远也总是呈现出相同的状态，当其中一个量子状态改变时，其他量子也会随之改变。
爱因斯坦曾把量子纠缠称为“鬼魅般的超距作用”，不过观察者网曾经报道，科学家如今认为，量子纠缠其实也是需要信道的，潘建伟教授的项目组2013年也测出，量子纠缠的传输速度至少比光速高4个数量级。
这就是量子隐形传态的理论基础。在量子纠缠的帮助下，带传输量子携带的量子信息可以被瞬间传递并被复制，因此就相当于科幻小说中描写的“超时空传输”，量子在一个地方神秘地消失，不需要任何载体的携带，又在另一个地方神秘地出现。
二、技术突破：非摧毁性测量
但想测量一下光子，再让远方复制，实现起来是非常困难的。由于太小，光子“一触而溃”，再精细的测量也让它面目全非。
中科大网站介绍说，1997年，国际上首次报道了单一自由度量子隐形传态的实验验证，该工作随后与伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等影响世界的重大科技成果一起入选了《自然》杂志“百年物理学21篇经典论文”。
然而，以往所有的实验实现都存在着一个根本的局限，即只能传输单个自由度的量子状态，而真正的量子物理体系自然地拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的基本粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等等。
潘建伟介绍说：“测量一个自由度，不干扰其他自由度，很困难。好比测量身高，尺子一拉，体重就受了影响。”
中科大此次就是进一步发展出了“非摧毁性的测量技术”。经过多年艰苦努力，研究人员成功制备了国际上最高亮度的自旋-轨道角动量超纠缠源、高效率的轨道角动量测量器件，突破了以往国际上只能操纵两光子轨道角动量的局限，搭建了6光子11量子比特的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，从而首次让一个光子的“自旋”和“轨道角动量”两项信息能同时传送。
据中科大新闻网报道，该实验成果得到了《自然》杂志审稿人的高度评价，他们一致称赞该工作“绝对新颖、重要，处于当前量子光学和量子信息领域的最前沿，可以认为是一个伟大的成就”、“在1997年单个自由度量子隐形传态实验实现的18年之后，这个工作从基本概念上将量子隐形传态提升到了一个新的水平”、“非常有趣，意义重大，且具有极其苛刻的技术难度”。

外尔费米子研究，中国人也在前列

另据报道，1929年德国科学家外尔（Weyl）提出：存在一种无“质量”的可以分为左旋和右旋两种不同“手性”的电子，这种电子被称为“外尔费米子”。但是80多年来，科学家们一直没有能够找到合适的材料，可在实验中观测到外尔费米子的存在。
通过对拓扑半金属材料进一步的深入研究，中科院物理所方忠团队预言了在TaAs等材料体系中可实现两种“手性”电子的分离，并且这一系列材料更利于实验测量验证。随后国内外多个研究组开始了竞赛般的实验验证工作。2015年初物理所实验团队成功在TaAs晶体中发现了这类特殊的电子，外尔费米子终于第一次展现在科学家面前。此外普林斯顿大学的研究团队也做了相似的工作，MIT的研究团队则在光子晶体中观测到了外尔费米子的行为。
具有“手性”外尔费米子的半金属能实现低能耗的电子传输，有望解决当前电子器件小型化和多功能化所面临的能耗问题，同时外尔费米子具有拓扑稳定性，可以用来实现高容错的拓扑量子计算。
7月16日，英国皇家化学协会网站报道说：“有两个国际研究组声称发现了电子学的基本建筑单元——外尔费米子。”这两个国际研究组，正是普林斯顿团队和中科院物理所。英国皇家化学协会完全独立于中科院物理所、普林斯顿大学以及麻省理工学院。然而，令人遗憾的是，《科学》杂志在线发表了美国普林斯顿大学物理学家扎伊德 哈桑团队的实验成果，但中科院的发现却被拒稿了。
对此，有学者指出，应当办好我国自己优秀的学术期刊，如果我国在相关领域也有影响力大的高水平学术期刊，中国科学家的学术成果发表便不再受制于人，虽然科学成果的重要性并不依赖于最终发表的期刊。
《物理世界》“年度十大突破”自2009年发布以来，在学术界具有重要权威性，入选的科学研究要符合：具有至关重要性；对科学知识有显著推进；理论与实验具有紧密联系；为所有物理学家普遍关注等条件。

（转载自《中华网》，本刊略有文字改动）