中國科學院物理研究所科研團隊合影。從左至右依次為戴曦、方忠、翁紅明、錢天、丁宏、陳根富（12月9日攝）。新華社記者金立旺攝
12月11日，由英國物理學會主辦的《物理世界》雜志公布了“2015年度十大科學突破”2015年國際物理競賽，中國科學院物理研究所研究團隊的“外爾費米子研究”入選。
外爾費米子是具有“手性”的無質(zhì)量電子，未來在量子計算機、低能器件等方面可能有重要應用。1929年，德國科學家外爾提出，有一種根據(jù)“質(zhì)量”可以分為左手和右手兩種不同“手性”的電子，被稱為“外爾費米子”。然而，80多年來，科學家們一直沒能找到合適的材料在實驗中觀察到外爾費米子的存在。通過對拓撲半金屬材料的進一步深入研究，中科院物理所方忠團隊預測在TaAs等材料體系中可以實現(xiàn)兩種“手性”電子的分離，而且該系列材料更利于實驗測量和驗證。隨后，國內(nèi)外多個研究組開始競相進行實驗驗證。 2015年初，中國科學院物理研究所實驗團隊在TaAs晶體中成功發(fā)現(xiàn)了這種特殊電子——外爾費米子，并首次呈現(xiàn)在科學家面前。
圖為中國科學技術(shù)大學潘建偉教授（右）和陸朝陽。
近日，英國物理學會下屬的世界頂級物理雜志《物理世界》公布了2015年度國際物理學領(lǐng)域十大突破，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽教授在“多維量子隱形傳態(tài)”方面取得的突破性研究成果位居榜首；中國科學院物理研究所方忠、翁宏明等人因在外爾費米子方面的開創(chuàng)性研究而入選。
國際物理學界為何青睞這兩項研究？物理學的探索又將走向何方？
量子隱形傳態(tài)實現(xiàn)從一到多的突破，讓物體之間可以瞬間穿梭
入選“十大突破”后，潘建偉推掉了多家媒體的采訪，因為他想把心思放在手頭的研究上。事實上，“多維量子隱形傳態(tài)”已經(jīng)是潘建偉團隊的第六個研究成果了。這是中國科學家的研究成果第一次登上榜單。“非常值得紀念。”潘建偉說。
潘建偉把“量子隱形傳態(tài)”比作“星際旅行”。1993年，這一科學幻想變成了現(xiàn)實。物理學家從理論上證明，對于微觀世界的物體貝語網(wǎng)校，借助神奇的“量子糾纏”，可以將物質(zhì)未知的量子態(tài)準確傳送到遙遠的地方，而無需傳送物質(zhì)本身。1997年2015年國際物理競賽，潘建偉有幸參與了世界上首次證實這一理論的實驗，一維量子隱形傳態(tài)成為現(xiàn)實。在包括冷原子、離子阱、超導體、量子點、金剛石核等許多物理系統(tǒng)中都實現(xiàn)了狀態(tài)傳輸，但都局限于單一屬性的傳輸。潘建偉舉了一個例子，“一個人有身高、體重等多個屬性，但從1997年到2014年的18年間，科學界只能實現(xiàn)身高或者體重其中一種屬性的傳輸，沒人能實現(xiàn)哪怕兩種屬性的傳輸。”
現(xiàn)實的量子物理體系自然具有多個自由度，即便是最簡單的粒子，比如單個光子，也具有包括波長、動量、自旋、軌道角動量等屬性。陸朝陽團隊最終找到了“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，利用一組額外的“糾纏”量子構(gòu)建“量子通道”——它們的狀態(tài)相互連接、不可分離，對其中一個施加任何改變，都會立即影響到另一個，最終成功實現(xiàn)多維量子系統(tǒng)的隱形傳態(tài)。
“我們的研究可以看作是從一到多量子隱形傳態(tài)的突破，首次證明了一個粒子的所有屬性可以在原則上傳輸?shù)竭b遠的位置，而不需要傳輸載體本身。”陸朝陽希望團隊在這個課題上繼續(xù)努力，在幾個月內(nèi)能實現(xiàn)10個量子態(tài)的糾纏。“多體、多終端、多自由度的量子隱形傳態(tài)作為量子信息處理的基本單元，在量子通信、量子計算網(wǎng)絡中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。”
有人質(zhì)疑量子信息基礎(chǔ)研發(fā)成本高，實用性低，這么高的投入值得嗎？潘建偉很理解這些質(zhì)疑，他不否認這個缺陷，但他認為這是暫時的問題，“隨著技術(shù)的進步，很多成本會降低。光纖剛開始出現(xiàn)的時候，只能埋到幾十厘米深，誰也沒有想到幾十年后，我們在地下會有這么完整的光纖網(wǎng)絡。”潘建偉親眼見證了上世紀美國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展，他認為量子信息技術(shù)在一段時間內(nèi)會快速成長，量子信息技術(shù)也是如此。他認為，由于量子通信技術(shù)具有很高的安全優(yōu)勢，在未來5年左右，會對金融機構(gòu)、國防政務、大數(shù)據(jù)中心等產(chǎn)生重大影響。10到15年后，每個人的手機都有望嵌入量子加密芯片。 “畢竟，世界上第一臺計算機剛被制造出來的時候，體積非常大，需要一整間房間才能放得下，而且它只能進行某些特定的運算。”潘建偉說。
首次觀測到具有“手性”的電子，但實際應用仍遙遙無期
方忠的辦公室陳設簡單，一張辦公桌、一個書柜、一排沙發(fā)，最引人注目的是墻上一塊黑板，上面寫滿了公式和推導過程。“物理所大樓剛建的時候，我就征求過意見，我說展板可以少放一些，但黑板一定要隨處可見，這樣科研人員可以隨時隨地記錄靈感。”
什么是外爾費米子？這項研究的意義何在？方忠說，這要從對稱性說起。
我們生存的世界充滿了對稱性，微觀世界的基本粒子也不例外。其中一種對稱性叫手性對稱性，通俗地說就是左手和右手不同，但相對時可以重疊，左手性和右手性是兩種不同但對稱的狀態(tài)。分子結(jié)構(gòu)也具有手性，左手性和右手性的分子可以具有完全不同的功能。那么微觀世界的粒子也具有手性嗎？
方忠介紹，組成世界的粒子有兩種，一種是存在于物理世界的費米子，一種是傳遞相互作用的玻色子，比如電磁波。電子是費米子的一種，科學家一直認為，電子無法區(qū)分手性，導致電子中存在有效質(zhì)量。因此，日常生活中的電子都是有質(zhì)量的。“這就像一個大市場，人在里面移動，遇到障礙物就會轉(zhuǎn)向，消耗能量，而電子也和市場里的人一樣，消耗能量，產(chǎn)生阻力。如果我們能設計出一種方法，把左旋電子和右旋電子分開，就好比給市場里的人設計了一條高速公路，相撞的可能性就會低很多。”
1929年，德國科學家赫爾曼·外爾提出電子可以分為左手性和右手性，但80多年來一直無人觀測到。電子如何分離？“我們團隊找到了一種材料，證實了外爾的理論，這相當于我們首次觀察到左手性和右手性電子可以分離。”方忠說，“這是基礎(chǔ)物理研究領(lǐng)域的一個進步。”
研究過程并非一帆風順，最難的是找到合適的材料，實現(xiàn)電子手性的分離。“世界上的材料千千萬萬，找到合適的材料就像大海撈針。首先要定位在哪里找，這樣才能縮小研究范圍。項目的范圍就會大很多，成功的概率也會大很多。定位需要長期的積累和探索。”方忠說。
他們的研究吸引了不少媒體的關(guān)注，不少文章聲稱這項技術(shù)在未來的應用將可以讓智能手機一年只需充電一次，方忠不同意這種解讀，他認為這項研究還只是基礎(chǔ)領(lǐng)域的探索，最重要的是豐富知識，但還遠遠沒有達到實際應用的地步。“我們暫時還沒考慮實際應用，研究的重要性可能要很多年后才能體現(xiàn)出來。如果真要有個期待的話，那就是在未來，它可能會被用來實現(xiàn)低能耗電子設備，這當然是我們美好的愿景。”
物理學充滿熱點，瞬息萬變，引領(lǐng)科學家一步步前行
方忠認為，自己的研究雖然入選了今年十大突破，但這只是物理學領(lǐng)域眾多重要成果中的一個，“經(jīng)過這么多年的發(fā)展，中國物理學研究已經(jīng)從跟蹤模仿逐漸發(fā)展到能夠與國際前沿同步、相互競爭。現(xiàn)在我們在一些領(lǐng)域有突破、有亮點，但整體上還需要更加努力。”方忠認為，快速進步得益于改革開放后科研環(huán)境的改善、國家投入的加大、人才的引進等。他相信，未來中國科學家的研究得到國際認可的案例會越來越多。
潘建偉介紹，每年被《物理世界》評選為十大物理學突破的研究，一般具備四個特點：研究具有基礎(chǔ)性意義、知識面顯著擴展、理論與實驗結(jié)合良好、受到國際物理學家關(guān)注。對于近年來入選十大突破的研究成果，潘建偉認為，目前物理學界的研究熱點主要集中在量子物理、高能物理和凝聚態(tài)物理三大方向。
“就拿今年來說，多維量子隱形傳態(tài)、‘無漏洞’貝爾定理等5項研究均屬于量子物理領(lǐng)域，首次捕獲單電子回旋輻射、發(fā)現(xiàn)五個夸克、研制出便攜式核磁共振儀等3項研究則屬于高能和天體物理領(lǐng)域；外爾費米子的發(fā)現(xiàn)、硫化氫高溫超導新紀錄則屬于凝聚態(tài)物理領(lǐng)域。”在潘建偉看來，高能天體物理研究宇宙的起源，探討世界從哪里來、到哪里去等大問題；凝聚態(tài)物理著眼于超導、半導體等與人類生活息息相關(guān)的領(lǐng)域，是推動人類技術(shù)革命的重要途徑；而量子物理則探索物質(zhì)的本質(zhì)結(jié)構(gòu)，一方面可以開拓量子通信、量子計算等實際應用，因此成為近年來的研究熱點。
“物理學中有很多非常重要的方向，充滿了熱點話題卻又不斷變化，這正是物理學最迷人的地方”，方忠說。有人認為物理太枯燥，浪費時間，方忠不同意這種觀點。觀點：“物理充滿機遇，有了大方向和思路，在研究過程中就會在細節(jié)中發(fā)現(xiàn)很多樂趣，這會引領(lǐng)科學家一步步前行。”（記者 葉琪 龔宇華 關(guān)宣月）