城市
食品安全论坛
当前位置首页 > 科技新闻 > 正文

我国物理学 单点已突进

2015-12-21 07:29 来源:人民日报 叶 琦 巩育华 管璇悦

图为中科院物理所研究团队,从左至右分别为戴希、方忠、翁红明、钱天、丁洪、陈根富。

图为中国科学技术大学教授潘建伟(右)、陆朝阳。

  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。”

(责任编辑:王蔚)

热点推荐

SpaceX今年第7次发射  共向国际空间站运2.63吨物资

SpaceX今年第7次发射 共向国际空间站运2.63吨物资

据国外媒体报道,美国当地时间4月2日,SpaceX已成...

携手世界 为破解人类科学难题贡献中国智慧

携手世界 为破解人类科学难题贡献中国智慧

在蔚蓝的大海中,国际大洋钻探计划正在钻探地球的...

苹果允许用户彻底删除ID 重隐私者得天下

苹果允许用户彻底删除ID 重隐私者得天下

北京时间3月30日,据彭博社报道,苹果公司表示将在...

eSIM时代,运营商的末日还是新生

eSIM时代,运营商的末日还是新生

自近日中国联通宣布在国内首发Apple Watch Series ...

首枚会变色的“心脏芯片”问世

首枚会变色的“心脏芯片”问世

东南大学生物医学工程学院生物电子学国家重点实验...

“科学”号调查麦哲伦海山

“科学”号调查麦哲伦海山

海山是世界海洋生物多样性研究的热点地区。在国家...

别了,“天宫” 你是永远的“一号”

别了,“天宫” 你是永远的“一号”

2011年9月29日,你乘坐长征二号F运载火箭离我们而...