文 | 陳曉雪 段兆晨
12月11日，英國物理學(xué)會新聞網(wǎng)站《物理世界》（Physics World）評選的2015年度國際物理學(xué)十大突破揭曉孕索，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)物理學(xué)家潘建偉和陸朝陽因首次實(shí)現(xiàn)同時傳送一個基本粒子(光子)的兩個內(nèi)秉屬性的工作入選逛艰，并位列榜首搞旭。據(jù)悉，這是在中國本土完成的工作第一次獲此殊榮偏灿。
此外丹诀，中科院物理所外爾費(fèi)米子研究也位列十項重大突破榜單枚荣。
往年入選《物理世界》國際物理學(xué)十大突破榜首的成果有歐洲航空局羅塞塔號探測器著陸彗星、南極觀察站探測到宇宙高能中微子和歐洲核子中心發(fā)現(xiàn)希格斯玻色子等。
得知這一消息，《知識分子》在第一時間聯(lián)系到中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉教授车海，請他介紹這項被《物理世界》稱為“壯舉”的研究以及未來的應(yīng)用前景棵红。
| 《知識分子》對話潘建偉 |
《知識分子》：你們什么時候知道被評為2015年度國際物理學(xué)十大突破的咏窿？
潘建偉：大概十天前根欧，《物理世界》發(fā)郵件告訴我們，我們進(jìn)入了Top 10的名單歼秽，但是否能夠成為最后的winner，還是要保密捐凭，讓我們先等著匹颤。又過了幾天溅蛉，他們告訴我們，經(jīng)過多次討論選擇了我們的工作堕汞。今天（編者注：12月11日）《物理世界》的總編Hamish Johnston博士跟我們做了一個在線訪談讯检，在Youtube上直播奈泪。
《知識分子》：你們?yōu)楹文軌蜃詈蟀蔚妙^籌？
潘建偉：《物理世界》在評選前十的時候裸准，它有一個選擇的標(biāo)準(zhǔn)，首先在物理上非常重要，最好是理論和實(shí)驗相結(jié)合的向胡，所有物理學(xué)家，整個領(lǐng)域的人都非常感興趣僵芹，還有一項是在知識上有重大的進(jìn)步。
我想可以從兩個方面理解我們的工作：
從基礎(chǔ)研究的觀點(diǎn)來看拇派，我們首次證明了一個粒子所有的性質(zhì)在原理上都可以通過量子糾纏傳到很遠(yuǎn)的地方荷辕。對量子隱形傳輸來說件豌，真正要傳輸一個微觀粒子的狀態(tài)疮方，需要把一個微觀粒子所有的性質(zhì)都傳過去茧彤。
1997年我還是學(xué)生時骡显，跟我的導(dǎo)師Anton Zeilinger做過一個實(shí)驗曾掂，實(shí)現(xiàn)了基本粒子單一自由度的傳輸惫谤。但是，在那個實(shí)驗里我們只能傳輸一個微觀粒子的某一個性質(zhì)溜歪，其他的性質(zhì)都被破壞了，沒辦法把一個微觀粒子所有的性質(zhì)都從一個轉(zhuǎn)移到另一個粒子上去许蓖。
在這項工作中，我們首次實(shí)現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)膊爪。從基礎(chǔ)研究的觀點(diǎn)來說拯腮，我們首次證明一個粒子所有的性質(zhì)在原理上都是可以被傳過去的蚁飒，所以《自然》雜志稱之為“Reaching bottom, laying foundations”。
另外從技術(shù)的角度來看淮逻，量子隱形傳輸在將來的量子計算機(jī)和量子通訊的研究中是一個非常基本的操作阁簸。無論是量子計算機(jī)還是量子通訊，主要就是一個微觀粒子的信息的傳輸启妹，走完就處理一下再把它送到另外一個地方筛严。所以饶米，量子隱形傳輸在量子計算機(jī)和量子信息的領(lǐng)域是一個很重要的技術(shù)手段桨啃。
《知識分子》：您是什么時候從量子傳輸開始感興趣的？
潘建偉：這個很有意思照瘾。我在1996年出國到奧地利的時候，本來是要做理論的析命。我的導(dǎo)師給我?guī)灼P(guān)于貝爾態(tài)測量的文章主卫，讓我看一看鹃愤。
我推導(dǎo)的過程中覺得很奇怪：為什么對兩個粒子處理的時候簇搅，一個粒子的狀態(tài)就跑到另一個很遠(yuǎn)的粒子上面去了软吐？我當(dāng)時以為有了重大發(fā)現(xiàn)瘩将，就趕緊要求做一個報告关噪。
實(shí)際上鸟蟹，那個方案早在1993年的時候，就有別的科學(xué)家就提出來了建钥。當(dāng)然這說明我當(dāng)時在國內(nèi)有點(diǎn)孤陋寡聞。所以虐沥，當(dāng)我對組里十多個人作了報告之后，大家覺得很奇怪欲险，這個人怎么這么傻，把組里所有人召集到一起天试，重新講了一個所有人都知道的事實(shí)槐壳。但是喜每，我的導(dǎo)師Anton Zeilinger很興奮务唐，他說建偉带兜，來來來枫笛，我們正在做這個實(shí)驗?zāi)兀?/p>
我是后來才知道這個方案早在1993年就提出來了刚照，但是我自己在1996年從頭演算推導(dǎo)的時候刑巧，就好像是再發(fā)現(xiàn)一樣，我覺得特別有意思啊楚。后來我就加入實(shí)驗團(tuán)隊開始做實(shí)驗了吠冤，大概一年半之后我們就把實(shí)驗做出來了特幔。
所以感興趣是一個偶然的機(jī)會咨演，我就相當(dāng)于自己獨(dú)立把這個方案發(fā)現(xiàn)了一下蚯斯，在組會里講的時候薄风，其實(shí)我后來回想了一下當(dāng)時還是挺糗的拍嵌。當(dāng)然遭赂，這也說明當(dāng)時國內(nèi)的最新期刊和文獻(xiàn)的流通不是特別暢通横辆。
《知識分子》：剛才您講到多自由度隱形傳態(tài)的技術(shù)價值撇他。它具體有哪些應(yīng)用潛力？
潘建偉：我們在做一個量子計算時困肩，需要把很多的量子比特，每一個量子都可以看作一個比特脆侮，每一個量子都需要對比特之間進(jìn)行一種邏輯操作，我們叫做與門（AND gate）靖避、非門（NOT gate）潭枣、與非門（NAND gate）等幻捏。
進(jìn)行這個操作的時候盆犁，我們又不想把量子的狀態(tài)給摧毀了，就需要做一個所謂的“未破壞的測量”谐岁。因為光子和光子之間是基本上沒什么相互作用的，那么你怎樣才能把兩個光子耦合起來榛臼？我們就需要進(jìn)行這個量子傳輸（teleportation）的操作。Teleportation操作的好處就是：我既能把這個邏輯操作給做掉讽坏，又不會對這個量子發(fā)生摧毀性的影響例证。
在這個的過程中路呜，我們把一個量子的狀態(tài)傳給下一個量子，這在量子計算中是一個關(guān)鍵胀葱、基礎(chǔ)的單元漠秋，相當(dāng)于我們搭積木的一個最小的小磚塊抵屿。所以庆锦，它在里面起到這么一個關(guān)鍵的作用轧葛，像磚塊一樣搂抒，是量子計算的基本單元尿扯。
《知識分子》：您也肯定聽說了谷歌最近公布的一個消息求晶，他們最近改造了D-Wave量子計算機(jī)衷笋，將某種算法精進(jìn)之后芳杏，解決了有大約1000個變數(shù)的組合優(yōu)化問題辟宗，發(fā)現(xiàn)與普通計算機(jī)求解同一問題相比爵赵，該處理器內(nèi)核的解題速度最高快1億倍。
潘建偉：D-Wave是加拿大的一家量子計算機(jī)公司空幻。他們的量子計算機(jī)賣得比較貴，很簡單的一臺售價要一千萬美金晨抡，全世界只賣掉過幾臺。
前一兩年大家在做檢驗的時候耘柱，沒有發(fā)現(xiàn)它比傳統(tǒng)的計算機(jī)算得快，后來谷歌又買了一臺新的调煎，之后加上一些新的算法設(shè)計镜遣，他們12月初宣布士袄，在某個特定的功能上比傳統(tǒng)的計算機(jī)快一億倍悲关。
谷歌的這篇文章剛剛放到網(wǎng)上娄柳，我們正在研究寓辱。參與谷歌這個項目的科學(xué)家里有我們一個合作者John Martinis赤拒，他是加州大學(xué)圣芭芭拉分校的教授秫筏。我認(rèn)為這個結(jié)果是比較可靠的。
不過这敬，現(xiàn)在說的量子計算機(jī)還都不是通用的量子計算機(jī)航夺。造一種量子計算機(jī)來解決某一個問題的時候崔涂，比現(xiàn)在的傳統(tǒng)計算機(jī)要快阳掐，而造另外一種量子計算機(jī)的時候來做另外一個事情冷蚂，可能又比一個傳統(tǒng)計算機(jī)快缭保。也就是說，現(xiàn)在的量子計算機(jī)只能做某一種事情涮俄，不能解決所有的問題。
在國內(nèi)尸闸，我們的團(tuán)隊也在三個最有前途實(shí)現(xiàn)可實(shí)用量子計算機(jī)的方向努力推進(jìn)：光學(xué)量子計算彻亲、超冷原子量子計算吮廉，還有超導(dǎo)量子計算苞尝。
其實(shí)目前我不太愿意把這個叫做量子計算，更愿意把它叫做量子模擬宦芦。谷歌文章的標(biāo)題為“What is the Computational Value of Finite Range Tunneling?”宙址，標(biāo)題里含有計算，但里面的內(nèi)容還是量子模擬（quantum simulation）调卑。
什么叫做模擬抡砂？模擬只是對某一種計算功能算的比較好，而量子計算應(yīng)該是所有的東西都算的比較快恬涧，所以我愿意把它叫做模擬注益。量子模擬機(jī)在很多領(lǐng)域都已經(jīng)有潛在的重大應(yīng)用價值，它會比量子計算機(jī)更早出現(xiàn)溯捆。
《知識分子》：怎樣才能做到真正的通用計算丑搔？
潘建偉：現(xiàn)在談通用量子計算還是太早了。量子計算現(xiàn)在主要的困難是提揍，制備出量子糾纏之后啤月，量子不僅可以處于0的狀態(tài)，也可以處于1的狀態(tài)劳跃，甚至可以處于0+1的狀態(tài)谎仲，一旦游離微觀客體，它可以同時處于兩個狀態(tài)的相干疊加的時候刨仑，周圍環(huán)境的噪聲就很容易對它產(chǎn)生影響郑诺。
所以計算時要保證不出錯绞呈，需要保證很好地屏蔽掉環(huán)境噪聲。這個是目前量子信息研究中最難的問題间景。在各種物理體系，需要首先解決真這個問題艺智，實(shí)現(xiàn)高精度的量子操作倘要、容錯的量子糾錯，才能真正談通用量子計算十拣。
《知識分子》：我國的第一顆“量子科學(xué)實(shí)驗衛(wèi)星”明年就要發(fā)射了封拧。發(fā)射量子衛(wèi)星的目的是什么？
潘建偉：我們發(fā)射量子衛(wèi)星夭问，主要是基于這兩方面的考慮泽西，一方面是應(yīng)用，一方面解決一些和基礎(chǔ)研究相關(guān)問題缰趋。
因為量子的信號會處于0+1這種狀態(tài)捧杉，這種信號就沒辦法被放大、復(fù)制秘血。如果用光纖來做味抖，信號傳輸大概100公里，就會被光纖吸收灰粮，根本做不下去仔涩。
為了讓量子通信成為造福人類的實(shí)用技術(shù)，我們有兩種解決的途徑：
實(shí)用級聯(lián)的量子態(tài)隱形傳輸粘舟，就是每隔一段距離我們設(shè)置一個信號中轉(zhuǎn)站熔脂。這個技術(shù)還在發(fā)展，我們也正在地面做這方面的工作柑肴，但是我認(rèn)為這個技術(shù)在10年之內(nèi)不太會有實(shí)用的價值霞揉。
另外一個，也是利用量子衛(wèi)星嘉抒。我們發(fā)現(xiàn)零聚，光子的信號在穿過整個大氣層之后，只有20%左右的信號會被損失掉些侍，80%的光都可以從天上直接到達(dá)地面隶症。從北京到上海之間傳送密鑰，按照我們現(xiàn)在的計算岗宣，做的比較好的話蚂会，我覺得做到每秒幾兆都沒有問題。這樣一來耗式，我們就可以視頻通話胁住、打電話趁猴。
第二就涉及到量子糾纏的概念。量子糾纏又被認(rèn)為是遙遠(yuǎn)的地點(diǎn)之間詭異的互動儡司。我們有了衛(wèi)星之后，就可以在宏觀的距離上檢驗所謂的量子力學(xué)的非局域性（non-locality）捕犬。
在物理學(xué)酵镜，大家都追求pushing the limit, 要不就無窮大，要不就無窮小垢粮。當(dāng)你有一種新的能力時靠粪，到達(dá)新的尺度區(qū)間里占键，如果你發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有物理學(xué)偏離的話，新的物理就誕生了耀鸦。
對量子糾纏而言啸澡，在宏觀的大尺度距離上，會不會有什么變化洛姑，會不會受到引力的干擾皮服，實(shí)驗上還是未知的龄广。這樣，在衛(wèi)星的幫助下择同，我們就可以對物理學(xué)的一些基本問題做一些基本探索和檢驗，如果做的比較好裹纳，有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理。
| 潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊研究入選十大突破榜首背景 |
1993年虹曙，美國科學(xué)家C. H. Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念番舆。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式恨狈，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實(shí)現(xiàn)保密通信過程呛讲。之后，一個物理學(xué)國際小組基于量子糾纏理論吗氏，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實(shí)現(xiàn)量子隱形傳送的方案弦讽。
量子力學(xué)中的“不可克隆定理”指出膀哲，被復(fù)制的原量子態(tài)會遭到破壞，我們并不能夠制造出一個量子態(tài)完美的復(fù)制品仿村，而只能從一個粒子完全地傳送到另一個粒子兴喂，隨后第一個粒子將不再處于原量子態(tài)衣迷。
實(shí)驗的突破出現(xiàn)在1997年。奧地利物理學(xué)Anton Zeilinger帶領(lǐng)的團(tuán)隊首次在實(shí)驗上實(shí)現(xiàn)了傳送一個光子的自旋滴肿。那時佃迄，潘建偉在維也納大學(xué)攻讀博士學(xué)位，導(dǎo)師正是Zeilinger滔灶，潘建偉以第二作者的身份參與到該實(shí)驗吼肥。
《物理世界》指出，自1997年以來斗这，原子自旋表箭、相干光場以及其他實(shí)體等所有單個量子態(tài)也相繼被傳送钮莲，但是所有這些實(shí)驗都局限于傳送單一屬性崔拥，“將傳送的屬性擴(kuò)展至哪怕是兩個屬性，都被證明是壯舉”拆魏。
18年后慈俯，2015年初肥卡，潘建偉、陸朝陽團(tuán)隊報告在國際上首次成功實(shí)現(xiàn)同時傳送單光子的兩個自由度——自旋（極化）和軌道角動量（OAM）揪胃，完成了量子信息實(shí)驗研究領(lǐng)域的又一突破。2月6日骚勘，《自然》雜志封面標(biāo)題刊登此工作。
潘建偉團(tuán)隊利用一組額外的“超糾纏”光子作為“量子信道”。這組額外的“超糾纏”光子的狀態(tài)緊密相連，改變其中一個光子的狀態(tài)勺拣，其他光子的狀態(tài)也會立即改變递览。通過這個“量子信道”，可以實(shí)現(xiàn)兩個粒子同時在自旋和軌道角動量兩個屬性上糾纏。
《物理世界》指出瓢娜，利用中國團(tuán)隊的方案可以傳送更多的量子屬性眠砾，但隨著屬性的增加，實(shí)驗實(shí)現(xiàn)起來也越來越困難，因為實(shí)現(xiàn)這些要求我們至少有能力在實(shí)驗上操縱10個光子哈肖，而目前的紀(jì)錄只有8個淤井，這也是潘建偉和陸朝陽團(tuán)隊完成的摊趾。潘建偉表示砾层，他們正在向?qū)崿F(xiàn)10光子糾纏邁進(jìn)肛炮。
另外，據(jù)《物理世界》透露碍扔，潘建偉團(tuán)隊也在發(fā)展另一種替代的方法不同，該方法能夠讓團(tuán)隊在3年內(nèi)將可操縱光子的數(shù)目提高到大約20個二拐，“我們應(yīng)該很快能夠傳送一個或多個光子的3個自由度”。
| 其他9項突破（排名不分先后）|
單電子的同步輻射
Project 8團(tuán)隊測量到由氪-83通過β衰變發(fā)射出單電子的同步輻射菱魔。當(dāng)電子通過磁場時澜倦，同步輻射將發(fā)生藻治。這項實(shí)驗要求團(tuán)隊在粒子被發(fā)射的同時桩卵，對能量做出精確的測量”侗觯現(xiàn)在高职，Project 8正在努力地提高他們的測量精度怔锌，以計算物理學(xué)中最難的物理量——β衰變中同時產(chǎn)生的反電子中微子的質(zhì)量埃元。
外爾費(fèi)米子的發(fā)現(xiàn)
普林斯頓大學(xué)Zahid Hasan岛杀、麻省理工大學(xué)Marin Solja?ic?、中國科學(xué)院方忠、翁紅明在外爾費(fèi)米子上做出的先驅(qū)工作土浸。這種無質(zhì)量的粒子在1929年由德國科學(xué)家外爾預(yù)言黄伊。
Hasan和方忠領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊各自獨(dú)立地在砷化鉭中發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)出外爾費(fèi)米子的準(zhǔn)粒子的證據(jù)，Solja?ic?和他的同事們在另外一種材料——一個“雙螺旋”結(jié)構(gòu)的光子晶體中也發(fā)現(xiàn)了存在外爾玻色子的證據(jù)毡惜。
外爾費(fèi)米子無質(zhì)量的屬性表明其可用于高速经伙、低能耗電子學(xué)器件帕膜，還可期望實(shí)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)和馬約拉那費(fèi)米子態(tài)垮刹，從而實(shí)現(xiàn)拓?fù)淞孔佑嬎慊牡洹＃ň幷咦ⅲ骸段锢硎澜纭吩谋硎鲇姓`寺董，此處已修訂遮咖。）
“無漏洞”貝爾不等式實(shí)驗
荷蘭代爾夫特理工大學(xué)Bas Hensen盯滚、Ronald Hanson和他們的同事們進(jìn)行了沒有地點(diǎn)和探測漏洞的貝爾不等式測量。他們的實(shí)驗包括在相距1.28km的金剛石中建立自旋的糾纏撵术，然后測量自旋之間的關(guān)聯(lián)嫩与。如此遠(yuǎn)的距離及相對輕緩的自旋測量以保證整個實(shí)驗室無漏洞的划滋。實(shí)驗結(jié)果也證明了看似詭異的量子力學(xué)糾纏概念的存在处坪。
來自系外行星的光
葡萄牙天體物理與空間科學(xué)研究院玄帕、波爾圖大學(xué)Jorge Martins和他來自葡萄牙裤纹、法國鹰椒、瑞士吹零、智利的同事們首次探測到由系外行星反射的高分辨率的光譜信號灿椅。
該團(tuán)隊利用位于歐洲南方天文臺下屬的拉西拉天文臺中的高精度徑向速度行星尋找設(shè)備來研究于1995年發(fā)現(xiàn)的飛馬座51b星系的光茫蛹。利用最新發(fā)展的技術(shù)婴洼，Martin和他的同事們能夠測量行星的質(zhì)量柬采、軌道傾角和反射率，可用來推斷行星表面和大氣的成分肩刃。
LHCb宣稱發(fā)現(xiàn)兩個五夸克態(tài)
歐洲核子研究組織LHCb團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)5個夸克可共同組成粒子——五夸克態(tài)盈包。五夸克態(tài)在上世紀(jì)70年代被首次預(yù)言，在本世紀(jì)初引起爭議叛氨。今年力试，產(chǎn)生于LHC質(zhì)子碰撞的兩個質(zhì)量約為4400MeV/c2的五夸克態(tài)被分離出來缰犁。兩個粒子信號的統(tǒng)計數(shù)據(jù)都超過9σ帅容，遠(yuǎn)高于粒子物理中5σ的標(biāo)準(zhǔn)伍伤。
硫化氫在203K是超導(dǎo)體
位于德國美因茨的馬普所和古騰堡大學(xué)Mikhail Eremets和他的同事們首次發(fā)現(xiàn)了在地球能達(dá)到的自然溫度下的超導(dǎo)材料麦乞。該團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)硫化氫在150萬大氣壓時是超導(dǎo)體，超導(dǎo)轉(zhuǎn)變溫度高達(dá)203K蒋畜，比南極洲記錄到的最低溫度高19K声畏。接下來，該團(tuán)隊將進(jìn)一步去理解該材料超導(dǎo)出現(xiàn)的原因姻成。這項發(fā)現(xiàn)為室溫超導(dǎo)材料的研究鋪平了道路插龄。
便攜式磁共振影像系統(tǒng)
美國洛斯阿拉莫斯國家實(shí)驗室Michelle Espy和他的同事們制造出實(shí)用的便攜式超低磁場的磁共振影像系統(tǒng)。
與傳統(tǒng)用超導(dǎo)線圈產(chǎn)生強(qiáng)磁場的磁共振影像系統(tǒng)不同科展，新的系統(tǒng)依靠更容易產(chǎn)生的極弱磁場均牢。這意味著該系統(tǒng)必須有能力探測極弱信號，極弱信號通過超導(dǎo)量子干涉裝置（SQUIDs）探測辛润。利用他們低功率和便攜式的優(yōu)點(diǎn)膨处，團(tuán)隊希望他們的設(shè)計能夠盡快用于發(fā)展中國家的醫(yī)療中心见秤，以及軍事領(lǐng)域的醫(yī)院砂竖。
費(fèi)米子顯微鏡
麻省理工大學(xué)Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和他們的同事們制造了第一臺“費(fèi)米子顯微鏡”——一臺能夠為超冷氣體中高達(dá)1000個獨(dú)立原子成像的設(shè)備鹃答，是研究材料中電子之間相互作用邁出的重要一步乎澄。
這項工作通過將費(fèi)米統(tǒng)計的原子冷卻到極低溫，用光和磁場精確調(diào)節(jié)原子之間的相互作用测摔。費(fèi)米子顯微鏡將這種方法更進(jìn)一步置济，使得物理學(xué)家們能夠觀測到獨(dú)立費(fèi)米氣體的冷卻行為解恰，也能探測到體系內(nèi)的量子糾纏。
硅材料上的量子邏輯門
澳大利亞新南威爾士大學(xué)浙于、日本慶應(yīng)義塾大學(xué)Andrew Dzurak护盈、Menno Veld-horst和他們的同事們在硅材料上制備出了第一臺量子邏輯門器件。他們的控制非門（CNOT）是量子計算機(jī)中的基本元件羞酗，通過方便的半導(dǎo)體加工工藝制備腐宋。他們的器件利用電子自旋存儲量子信息。研究團(tuán)隊計劃發(fā)展技術(shù)去制造全面的量子計算機(jī)芯片檀轨。
（責(zé)任編輯：李曉明胸竞；王玫君、鄧志英對本文亦有貢獻(xiàn)参萄。）
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