2015國際物理學十大突破 中國科研成果居首
11日，英國物理學會新聞網站“物理世界”公佈了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、陸朝陽等完成的科研成果“多自由度量子隱形傳態”當選“年度突破”，位居榜首。其餘九項亞軍突破則排名不分先後。
據瞭解，中科大潘建偉研究團隊在國際上首次成功實現了“多自由度量子體系的隱形傳態”，這項工作打破了國際學術界從1997年以來只能傳輸基本粒子單一自由度的侷限，為發展可擴展的量子計算和量子網絡技術奠定了堅實的基礎。
陸朝陽（左）和潘建偉（右）
此外，中科院物理所研究團隊的“外爾費米子研究”也入選其中。外爾費米子（Weyl fermions）是一種無質量且具有“手性”的電子，未來將可能在量子計算機、低能耗器件等方面有重要應用。
外爾費米子研究團隊
量子瞬間傳輸，中國人又近了一步
今年2月，國際權威學術期刊《自然》雜誌以封面標題的形式對該成果進行了重點推介。通俗地説，這一技術可以讓科學家在異地瞬間獲知粒子狀態，從而開啓了瞬間傳輸技術的大門。
在今年3月5日的政協小組會上，全國政協委員潘建偉用一個比喻向《科技日報》解釋了這項研究：“從合肥帶到北京一個保險箱，鑰匙忘帶了。於是我請合肥的同事測量一下鑰匙，告訴我；我在北京複製它。”
理論基礎：量子糾纏
要想弄清楚“量子隱形傳態”的原理，就繞不開“量子糾纏”的概念。量子糾纏是指相距遙遠的兩個量子所呈現出得關聯性。科學家早就發現，處於特定系統中的兩個或多個量子，即使相距遙遠也總是呈現出相同的狀態，當其中一個量子狀態改變時，其他量子也會隨之改變。
愛因斯坦曾把量子糾纏稱為“鬼魅般的超距作用”，不過觀察者網曾經報道，科學家如今認為，量子糾纏其實也是需要信道的，潘建偉教授的項目組2013年也測出，量子糾纏的傳輸速度至少比光速高4個數量級。
這就是量子隱形傳態的理論基礎。在量子糾纏的幫助下，帶傳輸量子攜帶的量子信息可以被瞬間傳遞並被複制，因此就相當於科幻小説中描寫的“超時空傳輸”，量子在一個地方神秘地消失，不需要任何載體的攜帶，又在另一個地方神秘地出現。
技術突破：非摧毀性測量
但想測量一下光子，再讓遠方複製，實現起來是非常困難的。由於太小，光子“一觸而潰”，再精細的測量也讓它面目全非。
中科大網站介紹説，1997年，國際上首次報道了單一自由度量子隱形傳態的實驗驗證，該工作隨後與倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等影響世界的重大科技成果一起入選了《自然》雜誌“百年物理學21篇經典論文”。
然而，以往所有的實驗實現都存在着一個根本的侷限，即只能傳輸單個自由度的量子狀態，而真正的量子物理體系自然地擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的基本粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等等。
潘建偉對科技日報介紹説：“測量一個自由度，不干擾其他自由度，很困難。好比測量身高，尺子一拉，體重就受了影響。”
中科大此次就是進一步發展出了“非摧毀性的測量技術”。經過多年艱苦努力，研究人員成功製備了國際上最高亮度的自旋-軌道角動量超糾纏源、高效率的軌道角動量測量器件，突破了以往國際上只能操縱兩光子軌道角動量的侷限，搭建了6光子11量子比特的自旋-軌道角動量糾纏實驗平台，從而首次讓一個光子的“自旋”和“軌道角動量”兩項信息能同時傳送。
據中科大新聞網報道，該實驗成果得到了《自然》雜誌審稿人的高度評價，他們一致稱讚該工作“絕對新穎、重要，處於當前量子光學和量子信息領域的最前沿，可以認為是一個偉大的成就”、“在1997年單個自由度量子隱形傳態實驗實現的18年之後，這個工作從基本概念上將量子隱形傳態提升到了一個新的水平”、“非常有趣，意義重大，且具有極其苛刻的技術難度”。
“外爾費米子研究”也入選
另據《科技日報》報道，1929年德國科學家外爾Weyl提出——存在一種無“質量”的可以分為左旋和右旋兩種不同“手性”的電子，這種電子被稱為“外爾費米子”。但是80多年來，科學家們一直沒有能夠找到合適的材料，可在實驗中觀測到外爾費米子的存在。
通過對拓撲半金屬材料進一步的深入研究，中科院物理所方忠團隊預言了在TaAs等材料體系中可實現兩種“手性”電子的分離，並且這一系列材料更利於實驗測量驗證。隨後國內外多個研究組開始了競賽般的實驗驗證工作。2015年初物理所實驗團隊成功在TaAs晶體中發現了這類特殊的電子，外爾費米子終於第一次展現在科學家面前。此外普林斯頓大學的研究團隊也做了相似的工作，MIT的研究團隊則在光子晶體中觀測到了外爾費米子的行為。
具有“手性”外爾費米子的半金屬能實現低能耗的電子傳輸，有望解決當前電子器件小型化和多功能化所面臨的能耗問題，同時外爾費米子具有拓撲穩定性，可以用來實現高容錯的拓撲量子計算。
7月16日，英國皇家化學協會網站報道説：“有兩個國際研究組聲稱發現了電子學的基本建築單元——外爾費米子。”這兩個國際研究組，正是普林斯頓團隊和中科院物理所。英國皇家化學協會完全獨立於中科院物理所、普林斯頓大學以及麻省理工學院。然而，令人遺憾的是，****《科學》雜誌在線發表了美國普林斯頓大學物理學家扎伊德·哈桑團隊的實驗成果，但中科院的發現卻被拒稿了。
對此，有學者指出，應當辦好我國自己優秀的學術期刊，如果我國在相關領域也有影響力大的高水平學術期刊，中國科學家的學術成果發表便不再受制於人，雖然科學成果的重要性並不依賴於最終發表的期刊。
《物理世界》“年度十大突破”自2009年發佈以來，在學術界具有重要權威性，入選的科學研究要符合：具有至關重要性；對科學知識有顯著推進；理論與實驗具有緊密聯繫；為所有物理學家普遍關注等條件。