專訪國際物理“2015年十大科學突破”之一潘建偉團隊
潘建偉（右）和陸朝陽（左）
文 | 陳曉雪 段兆晨
2015年12月11日，英國物理學會新聞網(wǎng)站《物理世界》（Physics World）評選的2015年度國際物理學十大突破揭曉，中國科學技術(shù)大學物理學家潘建偉和陸朝陽因首次實現(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，并位列榜首。據(jù)悉，這是在中國本土完成的工作第一次獲此殊榮。
此外，中科院物理所外爾費米子研究也位列十項重大突破榜單。
往年入選《物理世界》國際物理學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)系到中國科學技術(shù)大學的潘建偉教授，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。
潘建偉
| 專訪潘建偉：通用量子計算為時尚早 |
《知識分子》：你們什么時候知道被評為2015年度國際物理學十大突破的？
潘建偉：大概十天前，《物理世界》發(fā)郵件告訴我們，我們進入了Top 10的名單，但是否能夠成為最后的winner，還是要保密，讓我們先等著。又過了幾天，他們告訴我們，經(jīng)過多次討論選擇了我們的工作。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，在Youtube上直播。
《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，它有一個選擇的標準，首先在物理上非常重要，最好是理論和實驗相結(jié)合的，所有物理學家，整個領(lǐng)域的人都非常感興趣，還有一項是在知識上有重大的進步。
我想可以從兩個方面理解我們的工作：
從基礎(chǔ)研究的觀點來看，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的地方。對量子隱形傳輸來說，真正要傳輸一個微觀粒子的狀態(tài)，需要把一個微觀粒子所有的性質(zhì)都傳過去。
1997年我還是學生時，跟我的導(dǎo)師Anton Zeilinger做過一個實驗，實現(xiàn)了基本粒子單一自由度的傳輸。但是，在那個實驗里我們只能傳輸一個微觀粒子的某一個性質(zhì)，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。
在這項工作中，我們首次實現(xiàn)了單光子多自由度的量子隱形傳態(tài)。從基礎(chǔ)研究的觀點來說，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，所以《自然》雜志稱之為“Reaching bottom, laying foundations”。
另外從技術(shù)的角度來看，量子隱形傳輸在將來的量子計算機和量子通訊的研究中是一個非?；镜牟僮?。無論是量子計算機還是量子通訊，主要就是一個微觀粒子的信息的傳輸，走完就處理一下再把它送到另外一個地方。所以，量子隱形傳輸在量子計算機和量子信息的領(lǐng)域是一個很重要的技術(shù)手段。
《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。我在1996年出國到奧地利的時候，本來是要做理論的。我的導(dǎo)師給我?guī)灼P(guān)于貝爾態(tài)測量的文章，讓我看一看。
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，一個粒子的狀態(tài)就跑到另一個很遠的粒子上面去了？我當時以為有了重大發(fā)現(xiàn)，就趕緊要求做一個報告。
實際上，那個方案早在1993年的時候，就有別的科學家就提出來了。當然這說明我當時在國內(nèi)有點孤陋寡聞。所以，當我對組里十多個人作了報告之后，大家覺得很奇怪，這個人怎么這么傻，把組里所有人召集到一起，重新講了一個所有人都知道的事實。但是，我的導(dǎo)師Anton Zeilinger很興奮，他說建偉，來來來，我們正在做這個實驗?zāi)兀?/span>
我是后來才知道這個方案早在1993年就提出來了，但是我自己在1996年從頭演算推導(dǎo)的時候，就好像是再發(fā)現(xiàn)一樣，我覺得特別有意思。后來我就加入實驗團隊開始做實驗了，大概一年半之后我們就把實驗做出來了。
所以感興趣是一個偶然的機會，我就相當于自己獨立把這個方案發(fā)現(xiàn)了一下，在組會里講的時候，其實我后來回想了一下當時還是挺糗的。當然，這也說明當時國內(nèi)的最新期刊和文獻的流通不是特別暢通。
《知識分子》：剛才您講到多自由度隱形傳態(tài)的技術(shù)價值。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，需要把很多的量子比特，每一個量子都可以看作一個比特，每一個量子都需要對比特之間進行一種邏輯操作，我們叫做與門（AND gate）、非門（NOT gate）、與非門（NAND gate）等。
進行這個操作的時候，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”。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？我們就需要進行這個量子傳輸（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，又不會對這個量子發(fā)生摧毀性的影響。
在這個的過程中，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、基礎(chǔ)的單元，相當于我們搭積木的一個最小的小磚塊。所以，它在里面起到這么一個關(guān)鍵的作用，像磚塊一樣，是量子計算的基本單元。
《知識分子》：您也肯定聽說了谷歌最近公布的一個消息，他們最近改造了D-Wave量子計算機，將某種算法精進之后，解決了有大約1000個變數(shù)的組合優(yōu)化問題，發(fā)現(xiàn)與普通計算機求解同一問題相比，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公司。他們的量子計算機賣得比較貴，很簡單的一臺售價要一千萬美金，全世界只賣掉過幾臺。
前一兩年大家在做檢驗的時候，沒有發(fā)現(xiàn)它比傳統(tǒng)的計算機算得快，后來谷歌又買了一臺新的，之后加上一些新的算法設(shè)計，他們12月初宣布，在某個特定的功能上比傳統(tǒng)的計算機快一億倍。
谷歌的這篇文章剛剛放到網(wǎng)上，我們正在研究。參與谷歌這個項目的科學家里有我們一個合作者John Martinis，他是加州大學圣芭芭拉分校的教授。我認為這個結(jié)果是比較可靠的。
不過，現(xiàn)在說的量子計算機還都不是通用的量子計算機。造一種量子計算機來解決某一個問題的時候，比現(xiàn)在的傳統(tǒng)計算機要快，而造另外一種量子計算機的時候來做另外一個事情，可能又比一個傳統(tǒng)計算機快。也就是說，現(xiàn)在的量子計算機只能做某一種事情，不能解決所有的問題。
在國內(nèi)，我們的團隊也在三個最有前途實現(xiàn)可實用量子計算機的方向努力推進：光學量子計算、超冷原子量子計算，還有超導(dǎo)量子計算。
其實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。谷歌文章的標題為“What is the Computational Value of Finite Range Tunneling?”，標題里含有計算，但里面的內(nèi)容還是量子模擬（quantum simulation）。
什么叫做模擬？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，所以我愿意把它叫做模擬。量子模擬機在很多領(lǐng)域都已經(jīng)有潛在的重大應(yīng)用價值，它會比量子計算機更早出現(xiàn)。
《知識分子》：怎樣才能做到真正的通用計算？
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，制備出量子糾纏之后，量子不僅可以處于0的狀態(tài)，也可以處于1的狀態(tài)，甚至可以處于0+1的狀態(tài)，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，周圍環(huán)境的噪聲就很容易對它產(chǎn)生影響。
所以計算時要保證不出錯，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。在各種物理體系，需要首先解決真這個問題，實現(xiàn)高精度的量子操作、容錯的量子糾錯，才能真正談通用量子計算。
《知識分子》：我國的第一顆“量子科學實驗衛(wèi)星”明年就要發(fā)射了。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，主要是基于這兩方面的考慮，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。
因為量子的信號會處于0+1這種狀態(tài)，這種信號就沒辦法被放大、復(fù)制。如果用光纖來做，信號傳輸大概100公里，就會被光纖吸收，根本做不下去。
為了讓量子通信成為造福人類的實用技術(shù)，我們有兩種解決的途徑：
實用級聯(lián)的量子態(tài)隱形傳輸，就是每隔一段距離我們設(shè)置一個信號中轉(zhuǎn)站。這個技術(shù)還在發(fā)展，我們也正在地面做這方面的工作，但是我認為這個技術(shù)在10年之內(nèi)不太會有實用的價值。
另外一個，也是利用量子衛(wèi)星。我們發(fā)現(xiàn)，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，80%的光都可以從天上直接到達地面。從北京到上海之間傳送密鑰，按照我們現(xiàn)在的計算，做的比較好的話，我覺得做到每秒幾兆都沒有問題。這樣一來，我們就可以視頻通話、打電話。
第二就涉及到量子糾纏的概念。量子糾纏又被認為是遙遠的地點之間詭異的互動。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的非局域性（non-locality）。
物理學大家追求pushing the limit, 要不就無窮大，要不就無窮小。當你有一種新的能力時，到達新的尺度區(qū)間里，如果你發(fā)現(xiàn)對現(xiàn)有物理學偏離的話，新的物理就誕生了。
對量子糾纏而言，在宏觀的大尺度距離上，會不會有什么變化，會不會受到引力的干擾，實驗上還是未知的。這樣，在衛(wèi)星的幫助下，我們就可以對物理學的一些基本問題做一些基本探索和檢驗，如果做的比較好，有可能發(fā)現(xiàn)一些新的物理。
陸朝陽
| 潘建偉、陸朝陽團隊研究入選十大突破榜首背景 |
1993年，美國科學家C. H. Bennett提出了量子通信（Quantum Teleportation）的概念。量子通信是由量子態(tài)攜帶信息的通信方式，它利用光子等基本粒子的量子糾纏原理實現(xiàn)保密通信過程。之后，一個物理學國際小組基于量子糾纏理論，提出了利用經(jīng)典與量子相結(jié)合的方法實現(xiàn)量子隱形傳送的方案。
量子力學中的“不可克隆定理”指出，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，而只能從一個粒子完全地傳送到另一個粒子，隨后第一個粒子將不再處于原量子態(tài)。
實驗的突破出現(xiàn)在1997年。奧地利物理學Anton Zeilinger帶領(lǐng)的團隊首次在實驗上實現(xiàn)了傳送一個光子的自旋。那時，潘建偉在維也納大學攻讀博士學位，導(dǎo)師正是Zeilinger，潘建偉以第二作者的身份參與到該實驗。
《物理世界》指出，自1997年以來，原子自旋、相干光場以及其他實體等所有單個量子態(tài)也相繼被傳送，但是所有這些實驗都局限于傳送單一屬性，“將傳送的屬性擴展至哪怕是兩個屬性，都被證明是壯舉”。
18年后，2015年初，潘建偉、陸朝陽團隊報告在國際上首次成功實現(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），完成了量子信息實驗研究領(lǐng)域的又一突破。2月6日，《自然》雜志封面標題刊登此工作。
潘建偉團隊利用一組額外的“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)，其他光子的狀態(tài)也會立即改變。通過這個“量子信道”，可以實現(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，利用中國團隊的方案可以傳送更多的量子屬性，但隨著屬性的增加，實驗實現(xiàn)起來也越來越困難，因為實現(xiàn)這些要求我們至少有能力在實驗上操縱10個光子，而目前的紀錄只有8個，這也是潘建偉和陸朝陽團隊完成的。潘建偉表示，他們正在向?qū)崿F(xiàn)10光子糾纏邁進。
另外，據(jù)《物理世界》透露，潘建偉團隊也在發(fā)展另一種替代的方法，該方法能夠讓團隊在3年內(nèi)將可操縱光子的數(shù)目提高到大約20個，“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團隊測量到由氪-83通過β衰變發(fā)射出單電子的同步輻射。當電子通過磁場時，同步輻射將發(fā)生。這項實驗要求團隊在粒子被發(fā)射的同時，對能量做出精確的測量?，F(xiàn)在，Project 8正在努力地提高他們的測量精度，以計算物理學中最難的物理量——β衰變中同時產(chǎn)生的反電子中微子的質(zhì)量。
外爾費米子的發(fā)現(xiàn)
普林斯頓大學Zahid Hasan、麻省理工大學Marin Solja?ic?、中國科學院方忠、翁紅明在外爾費米子上做出的先驅(qū)工作。這種無質(zhì)量的粒子在1929年由德國科學家外爾預(yù)言。
Hasan和方忠領(lǐng)導(dǎo)的團隊各自獨立地在砷化鉭中發(fā)現(xiàn)了表現(xiàn)出外爾費米子的準粒子的證據(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)。
外爾費米子無質(zhì)量的屬性表明其可用于高速、低能耗電子學器件，還可期望實現(xiàn)拓撲超導(dǎo)和馬約拉那費米子態(tài)，從而實現(xiàn)拓撲量子計算。（編者注：《物理世界》原文表述有誤，此處已修訂。）
“無漏洞”貝爾不等式實驗
荷蘭代爾夫特理工大學Bas Hensen、Ronald Hanson和他們的同事們進行了沒有地點和探測漏洞的貝爾不等式測量。他們的實驗包括在相距1.28km的金剛石中建立自旋的糾纏，然后測量自旋之間的關(guān)聯(lián)。如此遠的距離及相對輕緩的自旋測量以保證整個實驗室無漏洞的。實驗結(jié)果也證明了看似詭異的量子力學糾纏概念的存在。
來自系外行星的光
葡萄牙天體物理與空間科學研究院、波爾圖大學Jorge Martins和他來自葡萄牙、法國、瑞士、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。
該團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。利用最新發(fā)展的技術(shù)，Martin和他的同事們能夠測量行星的質(zhì)量、軌道傾角和反射率，可用來推斷行星表面和大氣的成分。
LHCb宣稱發(fā)現(xiàn)兩個五夸克態(tài)
歐洲核子研究組織LHCb團隊發(fā)現(xiàn)5個夸克可共同組成粒子——五夸克態(tài)。五夸克態(tài)在上世紀70年代被首次預(yù)言，在本世紀初引起爭議。今年，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。兩個粒子信號的統(tǒng)計數(shù)據(jù)都超過9σ，遠高于粒子物理中5σ的標準。
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Mikhail Eremets和他的同事們首次發(fā)現(xiàn)了在地球能達到的自然溫度下的超導(dǎo)材料。該團隊發(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203K，比南極洲記錄到的最低溫度高19K。接下來，該團隊將進一步去理解該材料超導(dǎo)出現(xiàn)的原因。這項發(fā)現(xiàn)為室溫超導(dǎo)材料的研究鋪平了道路。
便攜式磁共振影像系統(tǒng)
美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室Michelle Espy和他的同事們制造出實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)生強磁場的磁共振影像系統(tǒng)不同，新的系統(tǒng)依靠更容易產(chǎn)生的極弱磁場。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。利用他們低功率和便攜式的優(yōu)點，團隊希望他們的設(shè)計能夠盡快用于發(fā)展中國家的醫(yī)療中心，以及軍事領(lǐng)域的醫(yī)院。
費米子顯微鏡
麻省理工大學Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和他們的同事們制造了第一臺“費米子顯微鏡”——一臺能夠為超冷氣體中高達1000個獨立原子成像的設(shè)備，是研究材料中電子之間相互作用邁出的重要一步。
這項工作通過將費米統(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。費米子顯微鏡將這種方法更進一步，使得物理學家們能夠觀測到獨立費米氣體的冷卻行為，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、日本慶應(yīng)義塾大學Andrew Dzurak、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）是量子計算機中的基本元件，通過方便的半導(dǎo)體加工工藝制備。他們的器件利用電子自旋存儲量子信息。研究團隊計劃發(fā)展技術(shù)去制造全面的量子計算機芯片。
（責任編輯：李曉明；王玫君、鄧志英對本文亦有貢獻。）
