最年轻的院士、27岁时科研成果就入选“年度全球十大科技进展”、31岁毅然回国组建自己的实验室、帮助中国在量子通信的前沿科技领域处于世界领先……近年来，在合肥工作的潘建伟是中国最耀眼的科技明星之一，也被认为是距离下一个科技诺贝尔奖最近的中国人之一。
中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”被评为年度突破榜首。
2015年12月11日，欧洲物理学会(Institute of Physics)新闻网站《物理世界》(Physics World)公布了2015年度国际物理学领域的十项重大突破。中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室潘建伟院士、陆朝阳教授等完成的“多自由度量子隐形传态”名列榜首，被评为年度突破(Breakthrough of the Year)。其他九大突破排名不分先后，由美国、德国、荷兰、葡萄牙、中国、澳大利亚、日本等国家的科学家分享。
“多自由度量子隐形传态”的科普 什么是量子？一个量如果存在最小的不可分割的基本单位，就像上台阶一样，只能上一个一个的台阶而不能上半个台阶，我们就说这个量是量子化的，把这个最小单位称为量子。我们日常所见的宏观世界似乎一切都是无限可分的，微观世界里却有很多物理量是量子化的，例如原子中电子的能量。所以准确描述微观世界的理论必然是量子化的，这种理论就是量子力学。宏观物质是由微观粒子组成的，所以对宏观世界的准确描述也必须是量子力学。中学里学的牛顿力学只是对宏观世界的近似描述，在作为量子力学对立面的意义上被称为经典力学。 什么是量子隐形传态？这是一种在1993年提出的方案，把粒子A的未知的量子态传输给远处的另一个粒子B，让B粒子的状态变成A粒子最初的状态。注意传的是状态而不是粒子，A、B的空间位置都没有变化，并不是把A粒子传到远处。当B获得这个状态时，A的状态必然改变，任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以并不能复制状态，或者说这是一种破坏性的复制。在宏观世界复制一本书或一个电脑文件是很容易的，在量子力学中却不能复制一个粒子的未知状态，这是量子与经典的一个本质区别。很多人听说量子力学中状态的变化是瞬时的，无论两个粒子相距多远，于是认为隐形传态的速度可以超过光速，推翻相对论。错了。隐形传态的方案中有一步是把一个重要的信息(可以理解为一个密钥)从A处传到B处，利用这个信息才能把B粒子的状态变成目标状态。这个信息需要用经典信道(例如打电话、发邮件)传送，速度不能超过光速，所以整个隐形传态的速度也不能超过光速。很多人把隐形传态当成科幻电影中的传送术，瞬间把人传到任意远处，然后还担心复制人和本尊的伦理问题，其实这些理解都是错误的。量子隐形传态是以不高于光速的速度、破坏性地把一个粒子的未知状态传输给另一个粒子。打个比方，用颜色表示状态，A粒子最初是红色的，通过隐形传态，我们可以让远处的B粒子变成红色，而A粒子同时变成了绿色。但是我们完全不需要知道A最初是什么颜色，无论A是什么颜色，这套方法都可以保证B变成A最初的颜色，同时A的颜色改变。 量子隐形传态是在什么时候实现的？是1997年，当时潘建伟在奥地利维也纳大学的塞林格(Zeilinger)教授组里读博士，他们在《自然》上发表了一篇题为《实验量子隐形传态》(“Experimental quantum teleportation”)的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选了《自然》杂志的“百年物理学21篇经典论文”，跟它并列的论文包括伦琴发现X射线、爱因斯坦建立相对论、沃森和克里克发现DNA双螺旋结构等等。 什么是自由度？自由度就是描述一个体系所需的变量的数目。例如一个静止在一条线上的粒子，描述它只需要一个数，自由度就是1。静止在一个面上的粒子，自由度就是2。三维空间中的静止粒子，自由度就是3。描述三维空间中一个运动的粒子，需要知道位置的3个分量和动量的3个分量，自由度是6。光子具有自旋角动量和轨道角动量，如果你看不懂这两个词，没关系，只要明白它们是两个自由度就够了。在1997年的实验中，传的只是自旋。此后各种体系的各种自由度都被传输过，但每次实验都只能传输一个自由度。 传输一个自由度固然很厉害，但是只具有演示价值。隐形传态要实用，就必须传输多个自由度。这在理论上是完全可以实现的。打个比方，现在用颜色和形状来表示状态，A粒子最初是红色的正方体，我们可以让B粒子变成红色的正方体，同时A变成绿色的球体。这个扩展看似显而易见，但跟传输一个自由度相比，有极大的困难。隐形传态实验一般需要一个传输的“量子通道”，这个通道是由多个粒子组成的，这些粒子纠缠在一起，使得一个粒子状态的改变立刻就会造成其他粒子状态的改变。用物理学术语说，这些粒子处于“纠缠态”。制备多粒子的纠缠态已经是一个很困难的任务了，而要传输多个自由度，就需要制备多粒子的多个自由度的“超纠缠态”，更加令人望而生畏。潘建伟研究组就是攻破了这个难关，搭建了6光子的自旋-轨道角动量纠缠实验平台，才实现了自旋和轨道角动量的同时传输。 用《道德经》的话说：“道生一，一生二，二生三，三生万物。”1997年实现了道生一，那时潘建伟还是博士生。2015年实现了一生二，这时他已经是量子信息的国际领导者。从传输一个自由度到传输两个自由度，走了18年之久，这中间有无数的奇思妙想、艰苦奋斗，是人类智慧与精神的伟大赞歌。
| 
发表于 湖北省宜昌市 2015-12-14 19:42:05
提升卡
变色卡
