单点突进 我国两研究入选2015国际物理学十大突破

12月11日，英国物理学会主办的《物理世界》(Physics World)公布“2015年十大突破”，中科院物理所研究团队的“外尔费米子研究”入选其中。

外尔费米子(Weyl fermions)是一种无质量且具有“手性”的电子，未来将可能在量子计算机、低能耗器件等方面有重要应用。1929年德国科学家外尔提出——存在一种无“质量”的可以分为左旋和右旋两种不同“手性”的电子，这种电子被称为“外尔费米子”。但是80多年来，科学家们一直没有能够找到合适的材料，可在实验中观测到外尔费米子的存在。通过对拓扑半金属材料进一步的深入研究，中科院物理所方忠团队预言了在TaAs等材料体系中可实现两种“手性”电子的分离，并且这一系列材料更利于实验测量验证。随后国内外多个研究组开始了竞赛般的实验验证工作。2015年初中科院物理所实验团队成功在TaAs晶体中发现了这类特殊的电子，外尔费米子终于第一次展现在科学家面前。

日前，世界顶级物理杂志、英国物理学会下属的《物理世界》公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破，中国科学技术大学教授潘建伟、陆朝阳等以“多自由度量子隐形传态”的研究成果荣登榜首;中国科学院物理所方忠、翁红明等凭借外尔费米子的先驱性研究入选。

国际物理学界为何青睐这两项研究？物理学探索正往何处去？

量子隐形传态实现由一到多的突破，物体瞬间穿越有了可能

入选“十大突破”后，潘建伟推掉了好几家媒体的采访，他想把时间集中在手头的科研上。事实上，“多自由度量子隐形传态”已经是潘建伟团队的研究成果第六次入选《物理世界》评选的年度突破，“今年是第一次冲到了榜首，也是中国科学家的研究首次位列榜首，很有纪念意义。”潘建伟说。

潘建伟把“量子隐形传态”比作“星际穿越”。1993年，这一科学幻想变成现实，物理学家在理论上证明，对微观世界的物体而言，借助神奇的“量子纠缠”，可以将物质的未知量子态精确传送到遥远地点，而不用传送物质本身。潘建伟有幸在1997年参加了世界上第一个证明该理论的实验，单一自由度量子隐形传态变成现实。此后量子隐形传态先后在包括冷原子、离子阱、超导、量子点和金刚石色芯等诸多物理系统中得以实现，但都仅限于单属性传输。潘建伟举例，“一个人有身高、体重等多种属性，但在1997年到2014年这18年间，科学界只能实现传送或身高、或体重某一种性质，没有人能传送哪怕两种属性。”

而真正的量子物理体系自然拥有多种自由度的性质，即使是一个最简单的粒子，如单光子，它的性质也包括波长、动量、自旋和轨道角动量等。2015年，潘建伟和陆朝阳的团队终于找到了“通道”。陆朝阳介绍，团队选取单光子自旋和轨道角动量作为研究对象，用额外的一组“纠缠的”量子搭建了一个“量子通道”——它们的状态彼此相连无法摆脱，所有任何施加给其中一个量子的变化都会即刻影响另一个，最终成功实现了多自由度量子体系的隐形传态。

“我们的研究可以看作是量子隐形传态由一到多的突破，首次证明一个粒子所有的性质在原理上都可以传输到遥远地点，而无需传输载体本身。”陆朝阳希望团队在几个月内可以实现10个量子的纠缠。“多体、多终端和多自由度的量子隐形传态作为量子信息处理的基本单元，在量子通信和量子计算网络中发挥着至关重要的作用。”

有人质疑，量子信息基础研发成本高昂而且实用性小，如此高投入值得吗？潘建伟很欣赏这些质疑的声音，他不否认这一缺陷，但他相信这是阶段性难题，“随着技术进步，很多成本都会降下来。光纤刚问世的时候只能造几十厘米，当时没人料想，几十年后我们的地下会建成这么完备的光纤网络。”潘建伟见证了上个世纪互联网技术在美国短时间内的快速成长，在他看来量子信息技术同理。他相信，由于高安全性的优势，在未来5年左右的时间里，量子通信技术将在金融机构、国防政务、大数据中心有大用途。在10年到15年时间里，每个人的手机里都有望植入一个量子加密芯片。“毕竟世界上第一台计算机刚造出来时，体积大得需要一个房间来装，而且也只能进行某种运算。”潘建伟说。

首次观测到具有“手性”的电子，但远未走到实际应用

方忠的办公室布置得很简单：一张书桌，一个书柜，一排沙发，最引人注目的是墙上一面写满了公式和推导过程的黑板。“这里面也有外尔费米子研究的相关内容”，方忠说，“当初建物理所大楼时征求意见，我说展板可以少一些，但黑板一定要到处都有，让研究者能随时随地把灵感记录下来。”

什么是外尔费米子？这项研究到底关于什么？方忠说，这得从对称性讲起。

我们生活的世界充满对称性，微观世界的基本粒子也不例外。对称中有一种叫手性对称，通俗地讲，左手和右手不一样，但相向而对可以重叠，左手性和右手性是两种不同的而又对称的状态。分子结构也有手性，左手旋和右手旋的分子可以具有完全不同的功能。那么微观世界的粒子是否也有手性呢？

方忠介绍，组成世界的粒子有两种，一种是费米子，存在于实物世界，一种是玻色子，传递相互作用，比如电磁波。电子就是一种费米子。一直以来，科学家认为电子无法区分手性，这导致电子产生有效质量。因此，日常生活中的电子都是有质量的。“这就好比一个大市场，人在里面运动时遇到障碍物会拐弯，消耗能量，电子就像市场里的人，消耗能量产生了电阻。假如能设计出一种方式，把左手性和右手性的电子分开，相当于给市场里的人设计了一条高速公路，碰撞的可能性会低很多。”

1929年，德国科学家赫尔曼·外尔提出，电子可以分左右手性，但80多年来一直无人观测到。如何分开电子？“我们的团队找到了一种材料印证外尔的论述，相当于第一次观测到左手性和右手性的电子能够分开。”方忠说，“这是基础物理研究领域的进步。”

研究的过程并不一帆风顺，最难的是找到合适的材料实现电子手性的分离。“世界上的材料成千上万，找到合适的材料就好像大海捞针，首先需要定位在哪里捞，这样能缩小范围，成功概率也会大很多，定位需要长期的积累与探索。”方忠说。

他们的研究引来了很多媒体关注，不少文章称，未来这项技术的应用能够让智能手机实现一年只充一次电。对这种解读，方忠并不赞同。他认为，这项研究还只是基础领域的探索，最关键的是丰富了知识，远未到达实际应用的一步，“我们也尚未考虑实际应用，研究的重要性可能体现在很多年以后。如果真的要有预期，就是未来可能用来实现低能耗的电子器件，当然这是我们美好的憧憬。”

物理学充满热点又不断在变，牵引科学家一步步走下去

在方忠看来，虽然入选今年的十大突破，但自己的研究只是物理领域众多重要成果中的一件。“经过这么多年发展，中国物理研究已逐步从跟踪模仿成长为能和国际前沿并驾齐驱、相互竞争。现在我们在个别点上有突破和亮点，但整体上仍需更加努力。”方忠认为，快速进步得益于改革开放后，研究环境的改善，国家投入增多、人才引进等因素。他相信，将来我国科学家的研究被国际认可的事件会越来越多。

潘建伟介绍，每年入选《物理世界》十大物理学突破的研究，一般有4个特点：研究的根本重要性、知识的重大拓展、理论与实验的良好结合、引起国际物理学家的共同关注。分析近几年当选十大突破的研究成果，潘建伟认为，当下，物理学界的研究重点主要集中在量子物理、高能物理和凝聚态三大方向。

“以今年为例，多自由度量子隐形传态、‘无漏洞’的贝尔定理并不成立等5项研究都属于量子物理领域;单电子回旋辐射首次被捕获、发现五夸克粒子、便携式核磁共振仪等3项研究属于高能、天体物理领域;外尔费米子终获发现、硫化氢创高温超导新纪录等研究属于凝聚态领域。”在潘建伟看来，高能天体物理研究的是宇宙的本源，探究世界从哪里来、往何处去的大问题;凝聚态则集中在超导、半导体这样与人类生活息息相关的领域，是推动人类技术革命的重要途径;而量子物理一方面探究物质的本质结构，另一方面则可发展量子通讯、量子计算等实际应用，因而成为近年来的研究热点。

“物理学有很多方向都非常重要，充满热点但又不断在变，这就是物理最引人入胜的地方。”方忠说。有人觉得，物理学太枯燥，是坐冷板凳，方忠不同意这种观点，“物理学充满机会，有了大方向、大思路，研究过程中会发现很多细节的乐趣，它们牵引科学家一步步走下去。”(记者 叶琦 巩育华 管璇悦)