中國科技實力有多強：看看2015國際物理學十大突破
最年輕的院士、27歲時科研成果就入選“年度全球十大科技進展”、31歲毅然回國組建自己的實驗室、幫助中國在量子通信的前沿科技領域處於世界領先……近年來，在合肥工作的潘建偉是中國最耀眼的科技明星之一，也被認為是距離下一個科技諾貝爾獎最近的中國人之一。
2015年12月11日，歐洲物理學會(Institute of Physics)新聞網站《物理世界》(Physics World)公布了2015年度國際物理學領域的十項重大突破。中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室潘建偉院士、陸朝陽教授等完成的“多自由度量子隱形傳態”名列榜首，被評為年度突破(Breakthrough of the Year)。其他九大突破排名不分先後，由美國、德國、荷蘭、葡萄牙、中國、澳大利亞、日本等國家的科學家分享。下面我們盡量用公眾能夠理解的語言來介紹這些重大成就。如果您還是看不懂，沒關系，您肯定能看懂文末基於這十大突破對中國科技實力的解讀。
首先來看年度突破。2015年2月26日，國際頂級科學期刊《自然》(Nature)以封面標題的形式發表了潘建偉、陸朝陽等人的文章《單個光子的多個自由度的量子隱形傳態》(Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon)。這則消息當時就令許多人激動不已，觀者如堵。但媒體的報道對絕大多數讀者來說都屬於雲裏霧裏、不知所雲，於是有大量“不明真相的群眾”表示：“你們說的每一個字我都認識，但是你們說的東西我一點都聽不懂！贊！！”簡稱“不明覺厲”。為此我寫了一篇《科普量子瞬間傳輸技術，包你懂！》，令許多人對量子力學、量子信息和這項工作有了一些了解，包括從事傳統信息行業、想學習量子信息卻不得其門而入的朋友們。
簡而言之，這項工作的新成果在於“多個自由度”，因為以前已經實現了單個自由度的量子隱形傳態。
什麽是量子？一個量如果存在最小的不可分割的基本單位，就像上台階一樣，只能上一個一個的台階而不能上半個台階，我們就說這個量是量子化的，把這個最小單位稱為量子。我們日常所見的宏觀世界似乎一切都是無限可分的，微觀世界裏卻有很多物理量是量子化的，例如原子中電子的能量。所以準確描述微觀世界的理論必然是量子化的，這種理論就是量子力學。宏觀物質是由微觀粒子組成的，所以對宏觀世界的準確描述也必須是量子力學。中學裏學的牛頓力學只是對宏觀世界的近似描述，在作為量子力學對立面的意義上被稱為經典力學。
什麽是量子隱形傳態？這是一種在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子態傳輸給遠處的另一個粒子B，讓B粒子的狀態變成A粒子最初的狀態。註意傳的是狀態而不是粒子，A、B的空間位置都沒有變化，並不是把A粒子傳到遠處。當B獲得這個狀態時，A的狀態必然改變，任何時刻都只能有一個粒子處於目標狀態，所以並不能復制狀態，或者說這是一種破壞性的復制。在宏觀世界復制一本書或一個電腦文件是很容易的，在量子力學中卻不能復制一個粒子的未知狀態，這是量子與經典的一個本質區別。很多人聽說量子力學中狀態的變化是瞬時的，無論兩個粒子相距多遠，於是認為隱形傳態的速度可以超過光速，推翻相對論。錯了。隱形傳態的方案中有一步是把一個重要的信息(可以理解為一個密鑰)從A處傳到B處，利用這個信息才能把B粒子的狀態變成目標狀態。這個信息需要用經典信道(例如打電話、發郵件)傳送，速度不能超過光速，所以整個隱形傳態的速度也不能超過光速。很多人把隱形傳態當成科幻電影中的傳送術，瞬間把人傳到任意遠處，然後還擔心復制人和本尊的倫理問題，其實這些理解都是錯誤的。量子隱形傳態是以不高於光速的速度、破壞性地把一個粒子的未知狀態傳輸給另一個粒子。打個比方，用顏色表示狀態，A粒子最初是紅色的，通過隱形傳態，我們可以讓遠處的B粒子變成紅色，而A粒子同時變成了綠色。但是我們完全不需要知道A最初是什麽顏色，無論A是什麽顏色，這套方法都可以保證B變成A最初的顏色，同時A的顏色改變。
量子隱形傳態是在什麽時候實現的？是1997年，當時潘建偉在奧地利維也納大學的塞林格(Zeilinger)教授組裏讀博士，他們在《自然》上發表了一篇題為《實驗量子隱形傳態》(“Experimental quantum teleportation”)的文章，潘建偉是第二作者。這篇文章後來入選了《自然》雜誌的“百年物理學21篇經典論文”，跟它並列的論文包括倫琴發現X射線、愛因斯坦建立相對論、沃森和克里克發現DNA雙螺旋結構等等。
什麽是自由度？自由度就是描述一個體系所需的變量的數目。例如一個靜止在一條線上的粒子，描述它只需要一個數，自由度就是1。靜止在一個面上的粒子，自由度就是2。三維空間中的靜止粒子，自由度就是3。描述三維空間中一個運動的粒子，需要知道位置的3個分量和動量的3個分量，自由度是6。光子具有自旋角動量和軌道角動量，如果你看不懂這兩個詞，沒關系，只要明白它們是兩個自由度就夠了。在1997年的實驗中，傳的只是自旋。此後各種體系的各種自由度都被傳輸過，但每次實驗都只能傳輸一個自由度。
傳輸一個自由度固然很厲害，但是只具有演示價值。隱形傳態要實用，就必須傳輸多個自由度。這在理論上是完全可以實現的。打個比方，現在用顏色和形狀來表示狀態，A粒子最初是紅色的正方體，我們可以讓B粒子變成紅色的正方體，同時A變成綠色的球體。這個擴展看似顯而易見，但跟傳輸一個自由度相比，有極大的困難。隱形傳態實驗一般需要一個傳輸的“量子通道”，這個通道是由多個粒子組成的，這些粒子糾纏在一起，使得一個粒子狀態的改變立刻就會造成其他粒子狀態的改變。用物理學術語說，這些粒子處於“糾纏態”。制備多粒子的糾纏態已經是一個很困難的任務了，而要傳輸多個自由度，就需要制備多粒子的多個自由度的“超糾纏態”，更加令人望而生畏。潘建偉研究組就是攻破了這個難關，搭建了6光子的自旋-軌道角動量糾纏實驗平台，才實現了自旋和軌道角動量的同時傳輸。
用《道德經》的話說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”1997年實現了道生一，那時潘建偉還是博士生。2015年實現了一生二，這時他已經是量子信息的國際領導者。從傳輸一個自由度到傳輸兩個自由度，走了18年之久，這中間有無數的奇思妙想、艱苦奮鬥，是人類智慧與精神的偉大贊歌。
下面我們來看其餘九大突破。再次強調，排名不分先後，九名並列亞軍。每一項工作都是科學家們的卓越成就，值得我們熱烈鼓掌。基本內容是我對上引歐洲物理學會新聞的翻譯，有些地方加上我的註釋。
首次測量到單電子的同步輻射。獎給8號項目(Project 8)協作組(註釋：8號項目的兩位發言人來自美國的麻省理工大學和加州大學聖塔芭芭拉分校)，他們測量到氪-83的β衰變中發射出的單個電子的同步輻射。輻射是在電子通過磁場時發出的，使得團隊可以對粒子被發射時的能量作出非常精確的測量。8號項目正在努力提高測量精度，以用於計算物理學中最難以捉摸的量之一——電子型反中微子的質量，這些電子型反中微子也是在β衰變中發射出的。註釋：根據相對論，能量等於質量乘以光速的平方。因此如果精確地知道一個核反應前後那些能觀測到的粒子的能量，兩者相減就得到那些觀測不到的粒子(在這裏是電子型反中微子)帶走的能量，也就知道了這些粒子的質量。因為中微子的質量非常微小，接近於零，所以這個實驗需要極高的精度，才能得出有意義的結果。
終於發現了外爾費米子。獎給普林斯頓大學的Zahid Hasan、麻省理工大學的Marin Solja i 以及中國科學院(註釋：物理研究所)的方忠與翁紅明，為他們關於外爾費米子的先驅性工作。這些無質量的粒子是德國數學家赫爾曼·外爾(Hermann Weyl)在1929年預言的。Hasan和方忠、翁紅明領導的團隊各自獨立地在準金屬砷化鉭(TaAs)中發現了一種準粒子的指示性證據，這種準粒子表現得就像外爾費米子。Solja i 和同事們在一種非常不同的材料中發現了存在外爾玻色子的證據，——一種“雙gyroid”(註釋：gyroid是一種無窮連接的三重周期性最小面)的光子晶體。外爾費米子的無質量特性意味著它們可能被用於高速電子學，此外由於它們面對散射時受到拓撲保護，對量子計算機可能也有用處。註釋：對外爾費米子的一個介紹，可以見中科院物理所戴希研究員的博客《外爾半金屬的故事》，他和方忠用理論計算預測了在TaAs中發現外爾費米子的可能性。現在發現的外爾費米子不是真實的粒子，而是一種真實粒子的集體運動模式，即準粒子，這是凝聚態物理中特有的現象。外爾最初是在粒子物理領域預言這種粒子的，尋找它花了86年，最終卻是在凝聚態物理領域找到了這種粒子。在凝聚態物理中實現粒子物理的理論，是當代物理學一種普遍而有趣的思路。
物理學家宣稱實現了“無漏洞”的貝爾不等式實驗。獎給荷蘭代爾夫特理工大學的Bas Hensen、Ronald Hanson與同事們，他們進行了既沒有局域性漏洞也沒有探測性漏洞的貝爾不等式測量。他們的實驗涉及位於相距1.28公里的金剛石中的糾纏的自旋，然後測量自旋之間的關聯。金剛石之間距離這麼遠，以及自旋測量相對容易，保證了整個實驗是無漏洞的，——實驗結果證實了看似怪異的量子力學糾纏概念。註釋：貝爾不等式說的是，某些自旋之間的關聯在經典力學中必然低於某個上限，而這個上限是量子力學能夠達到的。因此如果測量結果違反貝爾不等式，就說明經典力學是錯誤的，量子力學是正確的。1982年，阿斯佩克特等人做了這樣的實驗，結果確實違反貝爾不等式。後來又有許多研究組用各種方法重復這個實驗，結論大都一致。但以前的實驗都存在漏洞，或者是局域性漏洞，或者是探測性漏洞，也就是說，經典力學原則上還是有可能解釋實驗結果，因此較起真來，結論還不能完全確定。這兩種漏洞有某種互補性，縮小一個漏洞就會擴大另一個漏洞，因而以前一直不能同時消滅兩者。現在通過巧妙的實驗設計和高超的技術手段，第一次同時克服了這兩個漏洞，所以可以說是對貝爾不等式測量的蓋棺定論。這是一項重大的進步，但如果要問，對大多數科學家的觀念有什麼影響？回答是沒有影響，因為從1930年代以來，絕大部分科學家早就相信量子力學了，都用不著貝爾的不等式和阿斯佩克特的實驗。量子力學的糾纏概念對公眾來說很怪異，對科學界來說卻是老生常談，否定它才出人意料，肯定它只是再次證實常識。這類實驗是以更突出的矛盾、更高的可靠性來檢驗一個已經被廣泛接受的理論。如果結果是否定性的，整個科學界就會轟動，大家需要重新構建物理學大廈了。現在的結果都是肯定性的，量子力學再一次被證明為正確，那對大多數人來說就只是滿足好奇心而已。當然，實驗在技術上的進步是很重要的，例如在相距這麼遠的金剛石之間保持糾纏的方法。
首次探測到來自太陽系外行星的可見光。獎給葡萄牙天體物理與空間科學研究院與波爾圖大學的Jorge Martins及其在葡萄牙、法國、瑞士、智利的同事們，他們首次測量了由一顆系外行星反射的高分辨率光譜信號。該團隊使用了高精度徑向速度行星搜尋設備(在歐洲南方天文臺下屬的La Silla天文臺)，研究來自51飛馬座b星的光，——它是在1995年發現的。利用他們發展的新技術，Martins和同事們能夠測量這顆行星的質量、軌道傾角和反射率，這些數據可以用來推斷行星表面和大氣的成分。按：我們以前只能觀測到恒星的光，看不到太陽系外行星的光，也就對系外行星的成分一無所知，甚至連它們是固態、液態還是氣態都不清楚。這個項目大大增進了我們對系外行星的了解，說不定能找到適合人類生存的星際移民目的地。
LHCb(“大型強子對撞機的美麗”，Large Hadron Collider beauty)宣稱發現兩個五誇克態。獎給歐洲核子研究組織(CERN)的LHCb協作組，他們表明五個誇克可以在被稱為五誇克態的粒子中被束縛在一起。五誇克態的存在是在1970年代被首次預言的，在21世紀是爭議的對象。今年，當兩個質量約為4400 MeV/c2的五誇克態從大型強子對撞機的質子碰撞中湧現出來時，這個問題終於解決了。兩個信號的統計顯著度都超過9σ，遠高於粒子物理中確認一個發現的黃金標準5σ。註釋：質子和中子這樣的重子是由三個誇克組成的，在重子之間傳遞相互作用的介子是由兩個誇克組成的。誇克從來不會單獨出現，因為把兩個誇克分開時要耗費的能量太大，超過誇克質量對應的能量，於是會產生新的誇克。那麼有沒有多於三個誇克組成的粒子呢？理論預測了四個和五個誇克組成的粒子，但一直沒有被證實。現在終於發現了五誇克態，可喜可賀。
硫化氫在203 K下是超導溫度最高的超導體。獎給馬克斯·普朗克化學研究所和約翰尼斯·古騰堡大學(都位於德國美因茨)的Mikhail Eremets和同事們，他們發現了第一種在地球表面能自然出現的溫度下超導的材料。該團隊發現，150萬個大氣壓的極端壓強下的硫化氫直到203 K都是超導體，這個溫度比南極洲記錄到的最低溫度要高19K。雖然還需要進一步的研究來理解為什麼這個材料會超導，這項發現可能已經為超導的聖杯即室溫超導體鋪平了道路。註釋：超導體就是電阻為零的材料，在其中傳輸的電流永遠不會衰減，有許多奇妙的應用前景。然而到目前為止，超導都只能在很低的溫度下實現，能超過液氮溫度(77 K，即零下196攝氏度)就算“高溫超導”了。這項工作一下子把超導溫度提高了幾十度，甚至都超過了地球表面的最低溫度，這是個重要的裏程碑。當然離實用還很遠，因為150萬大氣壓的壓強是個嚴重障礙。2014年，吉林大學的馬琰銘和崔田兩個研究組各自通過理論計算預測了硫化氫的超導性，馬琰銘等人預測H2S在160 GPa的壓強下(1 GPa約等於1萬大氣壓)超導溫度為80 K，崔田等人預測H3S(H2S與H2的復合物)在200 GPa下超導溫度在191 K至204 K之間。Eremets等人大幅引用和致謝了崔田和馬琰銘的結果，參見知社學術圈的《Nature: 中國學者預測的203K超導體被實驗證實 | 顛覆所有極限！》和《關於中國學者預測203K超導體被實驗證實的補充說明》。中國科學家對這項發現也有重要貢獻，不過由於所用的理論是傳統的BCS超導理論，計算的難度並不很大，而實驗的難度要大得多，所以實驗家的榮譽高於理論家的榮譽。
便攜式“戰地磁共振影像(MRI)系統”走出實驗室。獎給美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室的Michelle Espy和同事們，他們造出了實用的、便攜的、超低磁場的MRI系統。與傳統的用超導線圈產生很強磁場的MRI系統(註釋：看，這就是超導的用途之一)不同，新系統所用的磁場要弱得多，從遠方產生這種磁場就容易多了。然而這意味著該系統必須能夠探測弱得多的信號，這一點它是用超導量子干涉儀(SQUID)來實現的(註釋：避開了超導的一種用途，又用到超導的另一種用途)。由於有低功耗和輕質量的優點，該團隊希望這種原型設計能夠盡快部署到發展中國家的醫療中心以及戰地醫院。按：這是十大物理學突破中唯一跟日常生活直接相關的，可能歐洲物理學會選擇它也有這方面的原因。
費米子顯微鏡露出曙光。獎給美國麻省理工大學的Lawrence Chuck、Martin Zwierlein和同事們，他們制造了第一臺“費米子顯微鏡”——一臺能夠為超冷氣體中多達1000個獨立原子成像的設備。對於理解材料中的電子如何相互作用，已經有許多重大的進展。這是通過把費米子原子冷卻到超低溫度、再用光和磁場精細調節原子間的相互作用來實現的。通過允許物理學家觀測單個費米子在氣體冷卻時的行為，費米子顯微鏡把這種方法又推進了重要的一步。這項新技術可能很快就會被研究者用於觀測原子間的磁相互作用，甚至可能被用於探測體系內的量子糾纏。註釋：這項工作的重要性，在於把觀測對象從很多原子的集合縮小到單個原子，即大大提高了分辨率。由此我們有可能觀察到很多以前想象不到的現象，以後還有可能把對單原子的觀測(只是看)升級為控制(不僅看還能動)。想想看，如果我們可以隨意觀察和操控單個原子，而且這些原子還是處於量子糾纏中的，我們能夠看到和造出多少不可思議的東西！
矽量子邏輯門是第一步。獎給澳大利亞新南威爾士大學和日本慶應義塾大學的Andrew Dzurak、Menno Veldhorst和同事們，他們造出了第一個矽的量子邏輯器件。他們的控制非(CNOT)門是量子計算機的一個基礎元件，以前是用傳統的半導體加工工藝制造的。這個器件用電子自旋來存儲量子信息，研究者們現在計劃把技術擴展到制造完全意義的量子計算機芯片。按：量子計算機在理論上對於某些問題比現在的計算機(經典計算機)快得多。例如對於因子分解，傳統算法的計算量隨位數的變化是指數增長，而量子算法只是多項式增長。分解一個5000位的數字，在原理上經典算法需要50億年的時間，量子算法只需要2分鐘。可是目前還沒有實用意義上的量子計算機，原因之一就是用的材料都不是矽，量子信息只能用矽之外的光子、離子阱、核磁共振等方式來儲存。現在可以用矽來儲存與操作量子信息，半個多世紀以來半導體技術的豐富積累就有可能用上，大大促進量子計算機的發展。
介紹完十大物理學突破，我們來統計一下有哪些國家出鏡，各國參與了多少項工作。中國獨占一項(榜首的多自由度量子隱形傳態)，分享一項(外爾費米子)。美國獨占三項(單電子同步輻射、便攜式MRI和費米子顯微鏡)，分享一項(外爾費米子)。荷蘭獨占一項(無漏洞的貝爾實驗)。德國獨占一項(硫化氫的203 K超導)，對此中國科學家做了理論預測。澳大利亞和日本分享一項(矽量子邏輯門)，這一項有點奇怪，Andrew Dzurak和Menno Veldhorst的名字看起來都不像日本人，可能以澳大利亞的貢獻為主。葡萄牙領銜，和法國、瑞士、智利分享一項(系外行星的光)。歐洲作為整體，有CERN發現的一項(五誇克態)。
按照這個統計，美國共有四項，整體實力是最雄厚的。中國有兩項，包括榜首，整體僅次於美國，並且在局部占據制高點。中國的科技正處於爆炸式發展之中，潛力最大，前途不可限量。本文中提到的潘建偉、陸朝陽、方忠、翁紅明、戴希、馬琰銘和崔田分別出生於1970年、1982年、1970年、1977年、1971年、1972年和1964年，年富力強，充滿朝氣，他們是中國科技井噴的縮影。歐洲各國加起來共有四項，作為整體仍然是科學中心之一，但由於政治的碎片化，單獨一國都不如中美兩個超級大國。澳大利亞、日本和智利是中美歐之外僅有的上榜國家，而且只有一項成果是中美歐都未參與的。可以認為，美國、歐洲和中國是目前的三大科學中心。如果把中國擴大到東亞，把日本、韓國甚至澳大利亞都包括進去，那就更是鐵板釘釘了。這三大地區之外的國家，如俄羅斯、巴西、印度、印尼，在世界科學版圖上都處於邊緣地位。
中國科學界在2015年收獲了屠呦呦的自然科學諾貝爾獎、科大團隊的國際物理學年度突破，2015年必將作為嶄露頭角的一年被歷史銘記。對中國的科學工作者、科普工作者和愛好科學的公眾來說，這是最好的時代。對喋喋不休中國人不會創新、永遠沒希望的逆向民族主義分子來說，這是最壞的時代，我們對他們的無知和偏執感到可憐。
最大的幸福屬於年輕學子，你們的面前有嶄新的世界，無限的希望！
作者簡介：袁嵐峰，中國科學技術大學化學博士，中國科學技術大學合肥微尺度物質科學國家實驗室副研究員，風雲學會會長，微博@中科大胡不歸 。致謝：感謝風雲學會研究員郭曉明博士(@西西河氏唵啊吽 )、陳經等人提出的寶貴意見。
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