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我國兩項研究入選2015年國際物理學十大突破

我國兩項研究入選2015年國際物理學十大突破

2015年12月21日07:56 来源:人民网-人民日报

   

  圖爲中科院物理所研究團隊,從左至右分別爲戴希、方忠、翁紅明、錢天、丁洪、陳根富。

  新华社记者 金立旺摄

   

  圖爲中國科學技術大學教授潘建偉(右)、陸朝陽。

  資料圖片

  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”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。

  國際物理學界爲何青睐這兩項研究?物理學探索正往何處去?

  量子隱形傳態實現由一到多的突破,物體瞬間穿越有了可能 

  入選“十大突破”後,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”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。”潘建偉說。

  潘建偉把“量子隱形傳態”比作“星際穿越”。1993年,這一科學幻想變成現實,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變成現實。此後量子隱形傳態先後在包括冷原子、離子阱、超導、量子點和金剛石色芯等諸多物理系統中得以實現,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。”

  而真正的量子物理体系自然拥有多种自由度的性质,即使是一个最简单的粒子,如单光子,它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等。2015年,潘建伟和陆朝阳的团队终于找到了“通道”。陆朝阳介绍,团队选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象,用额外的一组“纠缠的”量子搭建了一个“量子通道” ——它们的状态彼此相连无法摆脱,所有任何施加给其中一个量子的变化都会即刻影响另一个,最终成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。

  “我們的研究可以看作是量子隱形傳態由一到多的突破,首次證明一個粒子所有的性質在原理上都可以傳輸到遙遠地點,而無需傳輸載體本身。”陸朝陽希望團隊在幾個月內可以實現10個量子的糾纏。“多體、多終端和多自由度的量子隱形傳態作爲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揮著至關重要的作用。”

  有人質疑,量子信息基礎研發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,幾十年後我們的地下會建成這麽完備的光纖網絡。”潘建偉見證了上個世紀互聯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,由于高安全性的優勢,在未來5年左右的時間裏,量子通信技術將在金融機構、國防政務、大數據中心有大用途。在10年到15年時間裏,每個人的手機裏都有望植入一個量子加密芯片。“畢竟世界上第一台計算機剛造出來時,體積大得需要一個房間來裝,而且也只能進行某種運算。”潘建偉說。

  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,一個書櫃,一排沙發,最引人注目的是牆上一面寫滿了公式和推導過程的黑板。“這裏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。”

  什麽是外爾費米子?這項研究到底關于什麽?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。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。那麽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,科學家認爲電子無法區分手性,這導致電子産生有效質量。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,人在裏面運動時遇到障礙物會拐彎,消耗能量,電子就像市場裏的人,消耗能量産生了電阻。假如能設計出一種方式,把左手性和右手性的電子分開,相當于給市場裏的人設計了一條高速公路,碰撞的可能性會低很多。”

  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。”

  研究的過程並不一帆風順,最難的是找到合適的材料實現電子手性的分離。“世界上的材料成千上萬,找到合適的材料就好像大海撈針,首先需要定位在哪裏撈,這樣能縮小範圍,成功概率也會大很多,定位需要長期的積累與探索。”方忠說。

  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一年只充一次電。對這種解讀,方忠並不贊同。他認爲,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在很多年以後。如果真的要有預期,就是未來可能用來實現低能耗的電子器件,當然這是我們美好的憧憬。”

  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衆多重要成果中的一件。“經過這麽多年發展,中國物理研究已逐步從跟蹤模仿成長爲能和國際前沿並駕齊驅、相互競爭。現在我們在個別點上有突破和亮點,但整體上仍需更加努力。”方忠認爲,快速進步得益于改革開放後,研究環境的改善,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,潘建偉認爲,當下,物理學界的研究重點主要集中在量子物理、高能物理和凝聚態三大方向。

  “以今年爲例,多自由度量子隱形傳態、‘無漏洞’的貝爾定理並不成立等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、發現五誇克粒子、便攜式核磁共振儀等3項研究屬于高能、天體物理領域;外爾費米子終獲發現、硫化氫創高溫超導新紀錄等研究屬于凝聚態領域。”在潘建偉看來,高能天體物理研究的是宇宙的本源,探究世界從哪裏來、往何處去的大問題;凝聚態則集中在超導、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,另一方面則可發展量子通訊、量子計算等實際應用,因而成爲近年來的研究熱點。

  “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。”方忠說。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,研究過程中會發現很多細節的樂趣,它們牽引科學家一步步走下去。”

  《 人民日报 》( 2015年12月21日 12 版)

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