單點突進 我國兩研究入選2015國際物理學十大突破

12月11日，英國物理學會主辦的《物理世界》(Physics World)公佈“2015年十大突破”，中科院物理所研究團隊的“外爾費米子研究”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。1929年德國科學家外爾提出——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年初中科院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。

日前，世界頂級物理雜誌、英國物理學會下屬的《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、翁紅明等憑藉外爾費米子的先驅性研究入選。

國際物理學界為何青睞這兩項研究？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採訪，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，“今年是第一次衝到了榜首，也是中國科學家的研究首次位列榜首，很有紀念意義。”潘建偉説。

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，藉助神奇的“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，但都僅限於單屬性傳輸。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。”

而真正的量子物理體系自然擁有多種自由度的性質，即使是一個最簡單的粒子，如單光子，它的性質也包括波長、動量、自旋和軌道角動量等。2015年，潘建偉和陸朝陽的團隊終於找到了“通道”。陸朝陽介紹，團隊選取單光子自旋和軌道角動量作為研究對象，用額外的一組“糾纏的”量子搭建了一個“量子通道”——它們的狀態彼此相連無法擺脱，所有任何施加給其中一個量子的變化都會即刻影響另一個，最終成功實現了多自由度量子體系的隱形傳態。

“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為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着至關重要的作用。”

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，“隨着技術進步，很多成本都會降下來。光纖剛問世的時候只能造幾十釐米，當時沒人料想，幾十年後我們的地下會建成這麼完備的光纖網絡。”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，由於高安全性的優勢，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。”潘建偉説。

首次觀測到具有“手性”的電子，但遠未走到實際應用

方忠的辦公室佈置得很簡單：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”，方忠説，“當初建物理所大樓時徵求意見，我説展板可以少一些，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。”

什麼是外爾費米子？這項研究到底關於什麼？方忠説，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。那麼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，存在於實物世界，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，科學家認為電子無法區分手性，這導致電子產生有效質量。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，消耗能量產生了電阻。假如能設計出一種方式，把左手性和右手性的電子分開，相當於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，相當於第一次觀測到左手性和右手性的電子能夠分開。”方忠説，“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。”方忠説。

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。他認為，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眾多重要成果中的一件。“經過這麼多年發展，中國物理研究已逐步從跟蹤模仿成長為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。”方忠認為，快速進步得益於改革開放後，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，潘建偉認為，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。

“以今年為例，多自由度量子隱形傳態、‘無漏洞’的貝爾定理並不成立等5項研究都屬於量子物理領域;單電子迴旋輻射首次被捕獲、發現五夸克粒子、便攜式核磁共振儀等3項研究屬於高能、天體物理領域;外爾費米子終獲發現、硫化氫創高温超導新紀錄等研究屬於凝聚態領域。”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，因而成為近年來的研究熱點。

“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。”方忠説。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。”(記者 葉琦 鞏育華 管璇悦)