物理世界十大突破: 中科大量子通讯夺魁

12月11日，英国物理学会 (Institute of Physics) 旗下期刊《物理世界》(Physics World) 公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破 (Breakthrough of the Year)。中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等以"多自由度量子隐形传态"的研究成果荣登榜首。

 

中科院物理所研究员方忠、翁红明以凭借外尔费米子的先驱性研究入选第三位。另九项成就覆盖面较广，从天文学到医学物理学皆有涉及。


同电影《星际迷航》中的虚构世界一样，“瞬间移动”的念头无论对于科学家还是大众也有着同样的魔力。1993年，现实研究终于追赶上科幻概念，一个国际物理学团队从理论上证明了只要被复制的原始态被摧毁，量子态传输是完全可能的。成功传输量子需要精确系统测量，远距离信息传输以及重建一个原始态的完美复制。由于“量子态不可克隆”定理的存在，完美复制量子态是无法实现的，这就需要彻底的粒子传输，也就是说第一个粒子将失去其本来状态。

 
潘建伟

换句话讲，一次成功而完美的传送意味着第一个粒子彻底失去其被转送走的属性。单一自由度量子隐形传态实验于1997年首次实现。自那以后，量子自旋的全部独立状态，以及光场和其他单元都已实现成功传送。但是所有这些实验都仅限于单属性传输，以至于哪怕提升至双属性传输都会被视为盖世功勋。

潘和陆的研究团队目前已经实现了将一个量子的自旋 (偏振) 和轨道角动量 (OAM) 同时传输给一定距离以外的另一个量子。传送实验通常需要一个“量子通道”，这实际上是额外的一组“纠缠的”量子——它们的状态彼此相连无法摆脱，所以任何施加给其中一个量子的变化都会即刻影响另一个。在这个实验中，采用了一组“超纠缠”量子，即两个粒子的自旋和轨道角动量是同步纠缠的。

 
陆朝阳

尽管通过扩展潘的方法来传输两个以上的属性是有可能的，但每个属性的增加都将带来巨大的困难——极限可能是三个属性。要完成这一点将需要在实验中有能力控制10个量子，不过目前的纪录是8个。研究组正在努力攻克这一难关，正如潘所说：“希望在几个月内可以实现10个量子的纠缠。”另一个替代方法也已经开发出来，并且可以在三年内帮助研究组把这一数字翻番到20个量子。“届时我们应该有能力实现三自由度量子隐形传态或者多量子传输”，潘补充道。

同时传输多态的能力对于完整描述一个量子粒子来说至关重要，这也是实现传输任何大于量子粒子物质过程中的重要一环。潘表示：“量子隐形传态已公认是目前远距离量子通讯研究中的关键因素，将决定未来不可破安全系统、超快量子计算机以及量子网络的发展。”

十大突破由英国《物理世界》评选生成，评选标准如下：

研究的根本重要性；
知识的重大进步；
理论与实验的良好结合；
以及所有物理学家的共同关注。


2、单电子回旋辐射首次被捕获

 
项目组成员查看单电子辐射

授予Project 8团队，他们的成就是测量氪-83在β衰减过程中释放的单电子回旋辐射。辐射在电子通过磁场时产生，研究组完成了对粒子级别能量的精确测量。目前，Project 8团队正在努力提高测量的精密度，以便能计算出物理学最玄妙的问题之一——反电子中微子的质量。这同样产生于β衰减。


3、外尔费米子终获发现

 
方忠

 
翁红明

授予普林斯顿大学的Zahid Hasan，麻省理工的Marin Solja?ic?，以及中科院物理所的方忠和翁红明，他们的成就是研究外尔费米子的先驱性工作。这些没有质量的粒子由德国数学家Hermann Weyl在1929年预测提出。由Hasan带领的团队以及方和翁带领的团队各自独立发现了重要证据，即准粒子在半金属砷化钽中呈现与外尔费米子一致的行为。Solja?ic?和同事则在一种完全不同的材料中发现了外尔费米子的证据——“双螺旋二十四面体”光子晶体。外尔费米子没有质量的特性意味着它可以出现在高速电子器件中。由于它属于拓扑绝缘体，不会发生散射，在量子计算机中也将大有用处。

小编注：
【费米子】
在一组由全同粒子组成的体系中，如果在体系的一个量子态（即由一套量子数所确定的微观状态）上只容许容纳一个粒子，这种粒子称为费米子。或者说自旋为半整数（1/2，3/2…）的粒子统称为费米子，服从费米-狄拉克统计。费米子满足泡利不相容原理，即不能两个以上的费米子出现在相同的量子态中。 轻子，核子和超子的自旋都是1/2，因而都是费米子。自旋为3/2，5/2，7/2等的共振粒子也是费米子。中子、质子都是由三种夸克组成，自旋为1/2。奇数个核子组成的原子核。因为中子、质子都是费米子，故奇数个核子组成的原子核自旋是半整数。


4、“无漏洞”的贝尔定理并不成立

 
BasHensen (左) 和 Ronald Hanson (右) 调试贝尔定理实验

授予Bas Hensen, Ronald Hanson以及荷兰代尔夫特理工大学的相关同事，他们的成就是实现了对贝尔不等式的测量，同时避免了位置因素和观测漏洞的影响。他们在实验中设置了相隔1.28公里的钻石，并测量了钻石中纠缠自旋的对照关系。足够的钻石分隔距离以及对自旋相对容易的测量保证了该实验没有漏洞——实验结果也证明了量子力学纠缠这个看似奇怪的概念确实存在。


5、系外行星可见光首次被探测

 
飞马座51b艺术概念图

授予天体物理与空间科学研究所和波尔图大学的Jorge Martins，以及在葡萄牙、法国、瑞士和智利的相关同事们。他们的成就是首次测量到反射自系外行星的高解析度光学光谱信号。研究团队在欧洲南方天文台 (ESO) 拉西拉天文台采用高精度径向速度行星搜索器 (HARPS) 研究来自飞马座51b (1995年首次发现) 的光线。通过自主研发的新技术，Martins和同事们已能够测量行星的质量、轨道倾角和反射率。这些参数可用来推断行星表面和大气的成分构成。


6、LHCb团队发现两个五夸克粒子

 
紧密结合: 五个夸克粒子共同组成单一结构

授予欧洲核子研究中心 (CERN) 的LHCb团队，他们的成就是展示了5个夸克可以结合成五夸克粒子 (pentaquark)。五夸克粒子的存在首先于二十世纪七十年代提出，近些年其存在性饱受争议，今年终于得到证实。在大型强子对撞机 (LHC) 中进行的质子对撞实验里，产生了两个质量约为4400 MeV/c2的五夸克粒子。两个信号的统计分析均大于9σ——这远高于作为粒子物理新发现黄金标准的5σ。


7、硫化氢创高温超导新记录

 
Mikhail Eremets

授予Mikhail Eremets及其在德国马普化学研究所和Johannes Gutenberg University的团队，他们的成就是发现了第一种在地球表面自然环境中可存在温度下的超导材料。研究团队发现硫化氢材料在约150万个大气压下，在203K的温度下表现超导体的特性。而203K温度要比南极洲的最低温度记录高19K。尽管要完全理解这种材料中的超导是如何产生的还有许多工作要做，这个发现依然十分令人振奋，它为寻找室温下的超导材料铺平了道路。


8、战场便携式核磁共振仪走出实验室

 
第二代“便携”核磁共振仪，使用弱磁场对脑及其他软组织成像

授予Michelle Espy及其在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的团队，他们的成就是发明了实用的可便携超弱磁场核磁共振仪。传统的核磁共振系统需要使用超导线圈来产生超强的磁场，而Michelle Espy发明的新系统需要的磁场要弱很多，因而可以在可移动设备上实现。但是，这也意味着这个新的核磁共振系统需要能够探测到极弱的信号，因此Michelle Espy的新系统使用了超导量子干涉仪SQUIDs来克服这一困难。因为新系统的低耗电量和轻便结构，Michelle Espy团队希望能够尽快将其用于欠发达国家的医疗中心，以及救助伤员的战地医院。


9、费米子显微镜成型

 
冷冻陷阱: Lawrence Cheuk在调整激光冷却设备

授予Lawrence Cheuk，Martin Zwierlein及他们在美国麻省理工的团队，他们的成就是搭建了第一台”费米子显微镜”——能够给超冷气体中的多达1000个单独原子拍照的仪器。这能极大推动对材料中的电子如何相互作用的研究。”费米子显微镜”将费米子冷却到极低的温度，然后使用光和磁场来微调原子间的相互作用。通过这种方法，费米子显微镜让物理学家能够观察在极度冷却下单个费米子的行为。这一新方法可能很快会被研究人员用来观察原子间的磁相互作用，甚至可以用来探测非局域维度的量子纠缠。


10、第一个硅材料量子逻辑门

 
Menno Veldhorst (左) 和 Andrew Dzurak展示他们用来冷却和监控CNOT门的设备

授予Andrew Dzurak, Menno Veldhorst及他们在澳洲新南威尔士大学及日本庆应义塾大学的团队，他们的成就是在硅材料上制造了第一个量子逻辑器件。他们的”控制非” CNOT门是量子计算机的一个基础元件，而且是用传统的半导体制造设备工艺完成的。这一元件用电子自旋来存储量子信息。研究者们开始计划在这一基础上搭建完整的量子计算机芯片。