中国科学院物理研究所科研团队合影。从左至右依次为戴曦、方忠、翁红明、钱天、丁宏、陈根富（12月9日摄）。新华社记者金立旺摄
12月11日，由英国物理学会主办的《物理世界》杂志公布了“2015年度十大科学突破”2015年国际物理竞赛，中国科学院物理研究所研究团队的“外尔费米子研究”入选。
外尔费米子是具有“手性”的无质量电子，未来在量子计算机、低能器件等方面可能有重要应用。1929年，德国科学家外尔提出，有一种根据“质量”可以分为左手和右手两种不同“手性”的电子，被称为“外尔费米子”。然而，80多年来，科学家们一直没能找到合适的材料在实验中观察到外尔费米子的存在。通过对拓扑半金属材料的进一步深入研究，中科院物理所方忠团队预测在TaAs等材料体系中可以实现两种“手性”电子的分离，而且该系列材料更利于实验测量和验证。随后，国内外多个研究组开始竞相进行实验验证。 2015年初，中国科学院物理研究所实验团队在TaAs晶体中成功发现了这种特殊电子——外尔费米子，并首次呈现在科学家面前。
图为中国科学技术大学潘建伟教授（右）和陆朝阳。
近日，英国物理学会下属的世界顶级物理杂志《物理世界》公布了2015年度国际物理学领域十大突破，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳教授在“多维量子隐形传态”方面取得的突破性研究成果位居榜首；中国科学院物理研究所方忠、翁宏明等人因在外尔费米子方面的开创性研究而入选。
国际物理学界为何青睐这两项研究？物理学的探索又将走向何方？
量子隐形传态实现从一到多的突破，让物体之间可以瞬间穿梭
入选“十大突破”后，潘建伟推掉了多家媒体的采访，因为他想把心思放在手头的研究上。事实上，“多维量子隐形传态”已经是潘建伟团队的第六个研究成果了。这是中国科学家的研究成果第一次登上榜单。“非常值得纪念。”潘建伟说。
潘建伟把“量子隐形传态”比作“星际旅行”。1993年，这一科学幻想变成了现实。物理学家从理论上证明，对于微观世界的物体贝语网校，借助神奇的“量子纠缠”，可以将物质未知的量子态准确传送到遥远的地方，而无需传送物质本身。1997年2015年国际物理竞赛，潘建伟有幸参与了世界上首次证实这一理论的实验，一维量子隐形传态成为现实。在包括冷原子、离子阱、超导体、量子点、金刚石核等许多物理系统中都实现了状态传输，但都局限于单一属性的传输。潘建伟举了一个例子，“一个人有身高、体重等多个属性，但从1997年到2014年的18年间，科学界只能实现身高或者体重其中一种属性的传输，没人能实现哪怕两种属性的传输。”
现实的量子物理体系自然具有多个自由度，即便是最简单的粒子，比如单个光子，也具有包括波长、动量、自旋、轨道角动量等属性。陆朝阳团队最终找到了“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，利用一组额外的“纠缠”量子构建“量子通道”——它们的状态相互连接、不可分离，对其中一个施加任何改变，都会立即影响到另一个，最终成功实现多维量子系统的隐形传态。
“我们的研究可以看作是从一到多量子隐形传态的突破，首次证明了一个粒子的所有属性可以在原则上传输到遥远的位置，而不需要传输载体本身。”陆朝阳希望团队在这个课题上继续努力，在几个月内能实现10个量子态的纠缠。“多体、多终端、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、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，实用性低，这么高的投入值得吗？潘建伟很理解这些质疑，他不否认这个缺陷，但他认为这是暂时的问题，“随着技术的进步，很多成本会降低。光纤刚开始出现的时候，只能埋到几十厘米深，谁也没有想到几十年后，我们在地下会有这么完整的光纤网络。”潘建伟亲眼见证了上世纪美国互联网技术的飞速发展，他认为量子信息技术在一段时间内会快速成长，量子信息技术也是如此。他认为，由于量子通信技术具有很高的安全优势，在未来5年左右，会对金融机构、国防政务、大数据中心等产生重大影响。10到15年后，每个人的手机都有望嵌入量子加密芯片。 “毕竟，世界上第一台计算机刚被制造出来的时候，体积非常大，需要一整间房间才能放得下，而且它只能进行某些特定的运算。”潘建伟说。
首次观测到具有“手性”的电子，但实际应用仍遥遥无期
方忠的办公室陈设简单，一张办公桌、一个书柜、一排沙发，最引人注目的是墙上一块黑板，上面写满了公式和推导过程。“物理所大楼刚建的时候，我就征求过意见，我说展板可以少放一些，但黑板一定要随处可见，这样科研人员可以随时随地记录灵感。”
什么是外尔费米子？这项研究的意义何在？方忠说，这要从对称性说起。
我们生存的世界充满了对称性，微观世界的基本粒子也不例外。其中一种对称性叫手性对称性，通俗地说就是左手和右手不同，但相对时可以重叠，左手性和右手性是两种不同但对称的状态。分子结构也具有手性，左手性和右手性的分子可以具有完全不同的功能。那么微观世界的粒子也具有手性吗？
方忠介绍，组成世界的粒子有两种，一种是存在于物理世界的费米子，一种是传递相互作用的玻色子，比如电磁波。电子是费米子的一种，科学家一直认为，电子无法区分手性，导致电子中存在有效质量。因此，日常生活中的电子都是有质量的。“这就像一个大市场，人在里面移动，遇到障碍物就会转向，消耗能量，而电子也和市场里的人一样，消耗能量，产生阻力。如果我们能设计出一种方法，把左旋电子和右旋电子分开，就好比给市场里的人设计了一条高速公路，相撞的可能性就会低很多。”
1929年，德国科学家赫尔曼·外尔提出电子可以分为左手性和右手性，但80多年来一直无人观测到。电子如何分离？“我们团队找到了一种材料，证实了外尔的理论，这相当于我们首次观察到左手性和右手性电子可以分离。”方忠说，“这是基础物理研究领域的一个进步。”
研究过程并非一帆风顺，最难的是找到合适的材料，实现电子手性的分离。“世界上的材料千千万万，找到合适的材料就像大海捞针。首先要定位在哪里找，这样才能缩小研究范围。项目的范围就会大很多，成功的概率也会大很多。定位需要长期的积累和探索。”方忠说。
他们的研究吸引了不少媒体的关注，不少文章声称这项技术在未来的应用将可以让智能手机一年只需充电一次，方忠不同意这种解读，他认为这项研究还只是基础领域的探索，最重要的是丰富知识，但还远远没有达到实际应用的地步。“我们暂时还没考虑实际应用，研究的重要性可能要很多年后才能体现出来。如果真要有个期待的话，那就是在未来，它可能会被用来实现低能耗电子设备，这当然是我们美好的愿景。”
物理学充满热点，瞬息万变，引领科学家一步步前行
方忠认为，自己的研究虽然入选了今年十大突破，但这只是物理学领域众多重要成果中的一个，“经过这么多年的发展，中国物理学研究已经从跟踪模仿逐渐发展到能够与国际前沿同步、相互竞争。现在我们在一些领域有突破、有亮点，但整体上还需要更加努力。”方忠认为，快速进步得益于改革开放后科研环境的改善、国家投入的加大、人才的引进等。他相信，未来中国科学家的研究得到国际认可的案例会越来越多。
潘建伟介绍，每年被《物理世界》评选为十大物理学突破的研究，一般具备四个特点：研究具有基础性意义、知识面显著扩展、理论与实验结合良好、受到国际物理学家关注。对于近年来入选十大突破的研究成果，潘建伟认为，目前物理学界的研究热点主要集中在量子物理、高能物理和凝聚态物理三大方向。
“就拿今年来说，多维量子隐形传态、‘无漏洞’贝尔定理等5项研究均属于量子物理领域，首次捕获单电子回旋辐射、发现五个夸克、研制出便携式核磁共振仪等3项研究则属于高能和天体物理领域；外尔费米子的发现、硫化氢高温超导新纪录则属于凝聚态物理领域。”在潘建伟看来，高能天体物理研究宇宙的起源，探讨世界从哪里来、到哪里去等大问题；凝聚态物理着眼于超导、半导体等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；而量子物理则探索物质的本质结构，一方面可以开拓量子通信、量子计算等实际应用，因此成为近年来的研究热点。
“物理学中有很多非常重要的方向，充满了热点话题却又不断变化，这正是物理学最迷人的地方”，方忠说。有人认为物理太枯燥，浪费时间，方忠不同意这种观点。观点：“物理充满机遇，有了大方向和思路，在研究过程中就会在细节中发现很多乐趣，这会引领科学家一步步前行。”（记者 叶琪 龚宇华 关宣月）