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【物理学】2015国际物理学十大突破评述,论中国实力
醉卧青云 2015-12-15
导语

2015年度国际物理学领域的十项重大突破的科普好文!

      导读:

      2015年12月11日,欧洲物理学会(Institute of Physics)新闻网站《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。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列榜首,被评为年度突破(Breakthrough of the Year)。其他九大突破排名不分先后,由美国、德国、荷兰、葡萄牙、中国、澳大利亚、日本等国家的科学家分享。下面我们尽量用公众能够理解的语言来介绍这些重大成就。如果您还是看不懂,没关系,您肯定能看懂文末基于这十大突破对中国科技实力的解读。


    首先来看年度突破。2015年2 月26日,国际顶级科学期刊《自然》(Nature)以封面标题的形式发表了潘建伟、陆朝阳等人的文章《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》 (Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。这则消息当时就令许多人激动不已,观者如堵。但媒体的报道对绝大多数读者来说都属于云里雾里、不知所云,于是有大量“不明真相的群众”表 示:“你们说的每一个字我都认识,但是你们说的东西我一点都听不懂!赞!!”简称“不明觉厉”。为此我写了一篇《科普量子瞬间传输技术,包你懂!》,令许多人对量子力学、量子信息和这项工作有了一些了解,包括从事传统信息行业、想学习量子信息却不得其门而入的朋友们。

    简而言之,这项工作的新成果在于“多个自由度”,因为以前已经实现了单个自由度的量子隐形传态。

    什么是量子?一个量如果存在最小的不可分割的基本单位,就像上台阶一样,只能上一个一个的台阶而不能上半个台阶,我们就说这个量是量子化的,把这个最小单位 称为量子。我们日常所见的宏观世界似乎一切都是无限可分的,微观世界里却有很多物理量是量子化的,例如原子中电子的能量。所以准确描述微观世界的理论必然 是量子化的,这种理论就是量子力学。宏观物质是由微观粒子组成的,所以对宏观世界的准确描述也必须是量子力学。中学里学的牛顿力学只是对宏观世界的近似描述,在作为量子力学对立面的意义上被称为经典力学。

    什么是量子隐形传态?这是一种在1993年提出的方案,把粒子A的未知的量子态传输给远处的另一个粒子B,让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子,A、B的空间位置都没有变化,并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时,A的状态必然改变,任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态,所以并不能复制状态,或者说这是一种破坏性的复制。

      在宏观世界复制一本书或一个电脑文件是很容易的,在量子力学中却不能复制一个粒子的未知状态,这是量子与经典的一个本质区别。很多人听说量子力学中状态的变化是瞬时的,无论两个粒子相距多远,于是认为隐形传态的速度可以超过光速,推翻相对论。

      错了。隐形传态的方案中有一步是把一个重要的信息(可以理解为一个密钥)从A处传到B处, 利用这个信息才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典信道(例如打电话、发邮件)传送,速度不能超过光速,所以整个隐形传态的速度也不能超过 光速。很多人把隐形传态当成科幻电影中的传送术,瞬间把人传到任意远处,然后还担心复制人和本尊的伦理问题,其实这些理解都是错误的。量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方,用颜色表示状态,A粒子最初是红色的,通过隐形传态,我们可以让远处的B粒子变成红色,而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色,无论A是什么颜色,这套方法都可以保证B变成A最初的颜色,同时A的颜色改变。

中国科技实力有多强:看看2015国际物理学十大突破

    量子隐形传态是在什么时候实现的?是1997年,当时潘建伟在奥地利维也纳大学的塞林格(Zeilinger)教授组里读博士,他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(“Experimental quantum teleportation”)的文章,潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”,跟它并列的论文包括伦琴发现 X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。

    什么是自由度?自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例 如一个静止在一条线上的粒子,描述它只需要一个数,自由度就是1。静止在一个面上的粒子,自由度就是2。三维空间中的静止粒子,自由度就是3。描述三维 间中一个运动的粒子,需要知道位置的3个分量和动量的3个分量,自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量,如果你看不懂这两个词,没关系,只要明白它们是两个自由度就够了。在1997年的实验中,传的只是自旋。此后各种体系的各种自由度都被传输过,但每次实验都只能传输一个自由度。

      传输一个自由度固然很厉害,但是只具有演示价值。隐形传态要实用,就必须传输多个自由度。这在理论上是完全可以实现的。打个比方,现在用颜色和形状来表示状 态,A粒子最初是红色的正方体,我们可以让B粒子变成红色的正方体,同时A变成绿色的球体。这个扩展看似显而易见,但跟传输一个自由度相比,有极大的困 难。

       隐形传态实验一般需要一个传输的“量子通道”,这个通道是由多个粒子组成的,这些粒子纠缠在一起,使得一个粒子状态的改变立刻就会造成其他粒子状态的改变。用物理学术语说,这些粒子处于“纠缠态”。制备多粒子的纠缠态已经是一个很困难的任务了,而要传输多个自由度,就需要制备多粒子的多个自由度的“超 纠缠态”,更加令人望而生畏。潘建伟研究组就是攻破了这个难关,搭建了6光子的自旋-轨道角动量纠缠实验平台,才实现了自旋和轨道角动量的同时传输。

    用 《道德经》的话说:“道生一,一生二,二生三,三生万物。”1997年实现了道生一,那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二,这时他已经是量子信 息的国际领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度,走了18年之久,这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗,是人类智慧与精神的伟大赞歌。

    下面我们来看其余九大突破。

     再次强调,排名不分先后,九名并列亚军。每一项工作都是科学家们的卓越成就,值得我们热烈鼓掌。基本内容是我对上引欧洲物理学会新闻的翻译,有些地方加上我的注释。

     首次测量到单电子的同步辐射

     奖给8号项目(Project 8)协作组(注释:8号项目的两位发言人来自美国的麻省理工大学和加州大学圣塔芭芭拉分校),他们测量到氪-83的β衰变中发射出的单个电子的同步辐射。 辐射是在电子通过磁场时发出的,使得团队可以对粒子被发射时的能量作出非常精确的测量。8号项目正在努力提高测量精度,以用于计算物理学中最难以捉摸的量 之一——电子型反中微子的质量,这些电子型反中微子也是在β衰变中发射出的。

      注释:根据相对论,能量等于质量乘以光速的平方。因此如果精确地知道一个核反 应前后那些能观测到的粒子的能量,两者相减就得到那些观测不到的粒子(在这里是电子型反中微子)带走的能量,也就知道了这些粒子的质量。因为中微子的质量 非常微小,接近于零,所以这个实验需要极高的精度,才能得出有意义的结果。

中国科技实力有多强:看看2015国际物理学十大突破

     终于发现了外尔费米子。

     奖给普林斯顿大学的Zahid Hasan、麻省理工大学的Marin Solja i 以及中国科学院(注释:物理研究所)的方忠与翁红明,为他们关于外尔费米子的先驱性工作。这些无质量的粒子是德国数学家赫尔曼·外尔(Hermann Weyl)在1929年预言的。Hasan和方忠、翁红明领导的团队各自独立地在准金属砷化钽(TaAs)中发现了一种准粒子的指示性证据,这种准粒子表 现得就像外尔费米子。Solja i 和同事们在一种非常不同的材料中发现了存在外尔玻色子的证据,——一种“双gyroid”(注释:gyroid是一种无穷连接的三重周期性最小面)的光子 晶体。外尔费米子的无质量特性意味着它们可能被用于高速电子学,此外由于它们面对散射时受到拓扑保护,对量子计算机可能也有用处。

      注释:对外尔费米子的一 个介绍,可以见中科院物理所戴希研究员的博客《外尔半金属的故事》,他和方忠用理论计算预测了在TaAs中发现外尔费米子的可能性。现在发现的外尔费米子 不是真实的粒子,而是一种真实粒子的集体运动模式,即准粒子,这是凝聚态物理中特有的现象。外尔最初是在粒子物理领域预言这种粒子的,寻找它花了86年, 最终却是在凝聚态物理领域找到了这种粒子。在凝聚态物理中实现粒子物理的理论,是当代物理学一种普遍而有趣的思路。

    物理学家宣称实 现了“无漏洞”的贝尔不等式实验。

    奖给荷兰代尔夫特理工大学的Bas Hensen、Ronald Hanson与同事们,他们进行了既没有局域性漏洞也没有探测性漏洞的贝尔不等式测量。他们的实验涉及位于相距1.28公里的金刚石中的纠缠的自旋,然后 测量自旋之间的关联。金刚石之间距离这么远,以及自旋测量相对容易,保证了整个实验是无漏洞的,——实验结果证实了看似怪异的量子力学纠缠概念。

      注释:贝尔不等式说的是,某些自旋之间的关联在经典力学中必然低于某个上限,而这个上限是量子力学能够达到的。因此如果测量结果违反贝尔不等式,就说明经典力学是 错误的,量子力学是正确的。1982年,阿斯佩克特等人做了这样的实验,结果确实违反贝尔不等式。后来又有许多研究组用各种方法重复这个实验,结论大都一 致。但以前的实验都存在漏洞,或者是局域性漏洞,或者是探测性漏洞,也就是说,经典力学原则上还是有可能解释实验结果,因此较起真来,结论还不能完全确定。

       这两种漏洞有某种互补性,缩小一个漏洞就会扩大另一个漏洞,因而以前一直不能同时消灭两者。现在通过巧妙的实验设计和高超的技术手段,第一次同时克服 了这两个漏洞,所以可以说是对贝尔不等式测量的盖棺定论。这是一项重大的进步,但如果要问,对大多数科学家的观念有什么影响?回答是没有影响,因为从 1930年代以来,绝大部分科学家早就相信量子力学了,都用不着贝尔的不等式和阿斯佩克特的实验。量子力学的纠缠概念对公众来说很怪异,对科学界来说却是老生常谈,否定它才出人意料,肯定它只是再次证实常识。这类实验是以更突出的矛盾、更高的可靠性来检验一个已经被广泛接受的理论。如果结果是否定性的,整 个科学界就会轰动,大家需要重新构建物理学大厦了。现在的结果都是肯定性的,量子力学再一次被证明为正确,那对大多数人来说就只是满足好奇心而已。当然, 实验在技术上的进步是很重要的,例如在相距这么远的金刚石之间保持纠缠的方法。

    首次探测到来自太阳系外行星的可见光。

    奖给葡萄牙天 体物理与空间科学研究院与波尔图大学的Jorge Martins及其在葡萄牙、法国、瑞士、智利的同事们,他们首次测量了由一颗系外行星反射的高分辨率光谱信号。该团队使用了高精度径向速度行星搜寻设备 (在欧洲南方天文台下属的La Silla天文台),研究来自51飞马座b星的光,——它是在1995年发现的。利用他们发展的新技术,Martins和同事们能够测量这颗行星的质量、 轨道倾角和反射率,这些数据可以用来推断行星表面和大气的成分。

     按:我们以前只能观测到恒星的光,看不到太阳系外行星的光,也就对系外行星的成分一无所 知,甚至连它们是固态、液态还是气态都不清楚。这个项目大大增进了我们对系外行星的了解,说不定能找到适合人类生存的星际移民目的地。

中国科技实力有多强:看看2015国际物理学十大突破

      LHCb(“大 型强子对撞机的美丽”,Large Hadron Collider beauty)宣称发现两个五夸克态。

    奖给欧洲核子研究组织(CERN)的LHCb协作组,他们表明五个夸克可以在被称为五夸克态的粒子中被束缚在一起。 五夸克态的存在是在1970年代被首次预言的,在21世纪是争议的对象。今年,当两个质量约为4400 MeV/c2的五夸克态从大型强子对撞机的质子碰撞中涌现出来时,这个问题终于解决了。两个信号的统计显著度都超过9σ,远高于粒子物理中确认一个发现的 黄金标准5σ。注释:质子和中子这样的重子是由三个夸克组成的,在重子之间传递相互作用的介子是由两个夸克组成的。夸克从来不会单独出现,因为把两个夸克 分开时要耗费的能量太大,超过夸克质量对应的能量,于是会产生新的夸克。那么有没有多于三个夸克组成的粒子呢?理论预测了四个和五个夸克组成的粒子,但一 直没有被证实。现在终于发现了五夸克态,可喜可贺。

    硫化氢在203 K下是超导温度最高的超导体。

    奖给马克斯·普朗克化学研究所和约翰尼斯·古腾堡大学(都位于德国美因茨)的Mikhail Eremets和同事们,他们发现了第一种在地球表面能自然出现的温度下超导的材料。该团队发现,150万个大气压的极端压强下的硫化氢直到203 K都是超导体,这个温度比南极洲记录到的最低温度要高19K。虽然还需要进一步的研究来理解为什么这个材料会超导,这项发现可能已经为超导的圣杯即室温超导体铺平了道路。

      注释:超导体就是电阻为零的材料,在其中传输的电流永远不会衰减,有许多奇妙的应用前景。然而到目前为止,超导都只能在很低的温度下实 现,能超过液氮温度(77 K,即零下196摄氏度)就算“高温超导”了。这项工作一下子把超导温度提高了几十度,甚至都超过了地球表面的最低温度,这是个重要的里程碑。当然离实用 还很远,因为150万大气压的压强是个严重障碍。

       2014年,吉林大学的马琰铭和崔田两个研究组各自通过理论计算预测了硫化氢的超导性,马琰铭等人预测 H2S在160 GPa的压强下(1 GPa约等于1万大气压)超导温度为80 K,崔田等人预测H3S(H2S与H2的复合物)在200 GPa下超导温度在191 K至204 K之间。Eremets等人大幅引用和致谢了崔田和马琰铭的结果,参见知社学术圈的《Nature: 中国学者预测的203K超导体被实验证实 | 颠覆所有极限!》和《关于中国学者预测203K超导体被实验证实的补充说明》。中国科学家对这项发现也有重要贡献,不过由于所用的理论是传统的BCS超导 理论,计算的难度并不很大,而实验的难度要大得多,所以实验家的荣誉高于理论家的荣誉。

    便携式“战地磁共振影像(MRI)系统”走出实验室。

    奖给美国洛斯阿拉莫斯国家实验室的Michelle Espy和同事们,他们造出了实用的、便携的、超低磁场的MRI系统。与传统的用超导线圈产生很强磁场的MRI系统(注释:看,这就是超导的用途之一)不同,新系统所用的磁场要弱得多,从远方产生这种磁场就容易多了。然而这意味着该系统必须能够探测弱得多的信号,这一点它是用超导量子干涉仪(SQUID) 来实现的(注释:避开了超导的一种用途,又用到超导的另一种用途)。由于有低功耗和轻质量的优点,该团队希望这种原型设计能够尽快部署到发展中国家的医疗中心以及战地医院。按:这是十大物理学突破中唯一跟日常生活直接相关的,可能欧洲物理学会选择它也有这方面的原因。

    费米子显微镜露出曙光。

    奖给美国麻省理工大学的Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和同事们,他们制造了第一台“费米子显微镜”——一台能够为超冷气体中多达1000个独立原子成像的设备。对于理解材料中的电子如何相互作用,已经有许多重大的进展。这是通过把费米子原子冷却到超低温度、再用光和磁场精细调节原子间的相互作用来实现的。通过允许物理学家观测单个费米子在 气体冷却时的行为,费米子显微镜把这种方法又推进了重要的一步。这项新技术可能很快就会被研究者用于观测原子间的磁相互作用,甚至可能被用于探测体系内的 量子纠缠。

    注释:这项工作的重要性,在于把观测对象从很多原子的集合缩小到单个原子,即大大提高了分辨率。由此我们有可能观察到很多以前想象不到的现象, 以后还有可能把对单原子的观测(只是看)升级为控制(不仅看还能动)。想想看,如果我们可以随意观察和操控单个原子,而且这些原子还是处于量子纠缠中的, 我们能够看到和造出多少不可思议的东西!

    硅量子逻辑门是第一步

    奖给澳大利亚新南威尔士大学和日本庆应义塾大学的Andrew Dzurak、Menno Veldhorst和同事们,他们造出了第一个硅的量子逻辑器件。他们的控制非(CNOT)门是量子计算机的一个基础元件,以前是用传统的半导体加工工艺 制造的。这个器件用电子自旋来存储量子信息,研究者们现在计划把技术扩展到制造完全意义的量子计算机芯片。

    按:量子计算机在理论上对于某些问题比现在的计 算机(经典计算机)快得多。例如对于因子分解,传统算法的计算量随位数的变化是指数增长,而量子算法只是多项式增长。分解一个5000位的数字,在原理上经典算法需要50亿年的时间,量子算法只需要2分钟。可是目前还没有实用意义上的量子计算机,原因之一就是用的材料都不是硅,量子信息只能用硅之外的光 子、离子阱、核磁共振等方式来储存。现在可以用硅来储存与操作量子信息,半个多世纪以来半导体技术的丰富积累就有可能用上,大大促进量子计算机的发展。

    介绍完十大突破,我们来统计一下有哪些国家出镜,各国参与了多少项工作。

    中国独占一项(榜首的多自由度量子隐形传态),分享一项(外尔费米子)。美国 独占三项(单电子同步辐射、便携式MRI和费米子显微镜),分享一项(外尔费米子)。荷兰独占一项(无漏洞的贝尔实验)。德国独占一项(硫化氢的203 K超导),对此中国科学家做了理论预测。澳大利亚和日本分享一项(硅量子逻辑门),这一项有点奇怪,Andrew Dzurak和Menno Veldhorst的名字看起来都不像日本人,可能以澳大利亚的贡献为主。葡萄牙领衔,和法国、瑞士、智利分享一项(系外行星的光)。欧洲作为整体,有 CERN发现的一项(五夸克态)。

    按照这个统计,美国共有四项,整体实力是最雄厚的。中国有两项,包括榜首,整体仅次于美国,并且 在局部占据制高点。中国的科技正处于爆炸式发展之中,潜力最大,前途不可限量。本文中提到的潘建伟、陆朝阳、方忠、翁红明、戴希、马琰铭和崔田分别出生于 1970年、1982年、1970年、1977年、1971年、1972年和1964年,年富力强,充满朝气,他们是中国科技井喷的缩影。欧洲各国加起来共有四项,作为整体仍然是科学中心之一,但由于政治的碎片化,单独一国都不如中美两个超级大国。澳大利亚、日本和智利是中美欧之外仅有的上榜国家,而且只 有一项成果是中美欧都未参与的。可以认为,美国、欧洲和中国是目前的三大科学中心。如果把中国扩大到东亚,把日本、韩国甚至澳大利亚都包括进去,那就更是 铁板钉钉了。这三大地区之外的国家,如俄罗斯、巴西、印度、印尼,在世界科学版图上都处于边缘地位。

    中国科学界在2015年收获 屠呦呦的自然科学诺贝尔奖、科大团队的国际物理学年度突破,2015年必将作为崭露头角的一年被历史铭记。对中国的科学工作者、科普工作者和爱好科学的公 众来说,这是最好的时代。对喋喋不休中国人不会创新、永远没希望的逆向民族主义分子来说,这是最坏的时代,我们对他们的无知和偏执感到可怜。

    最大的幸福属于年轻学子,你们的面前有崭新的世界,无限的希望!


    来源:网络,原作者简介:袁岚峰,中国科学技术大学化学博士,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员,风云学会会长。

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文章评论(2)
金陵[北京大学]

通俗易懂,深入浅出,作者水平很高

1036天前 | 回复
金陵[北京大学]

通俗易懂,深入浅出,作者水平很高

1036天前 | 回复
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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科
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