从量子研究看中国科技实力突进
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2015 年 2 月 26 日，国际顶级科学期刊《自然》（Nature）以封面标题的形式发表了潘建伟、陆朝阳等人的文章《单个光子的多个自由度的量子隐形传态》（“Quantum teleportation of multiple degrees of freedom of a single photon”）。这则消息当时就令许多人激动不已。但媒体的报道对大多数读者都属于云里雾里，于是大量“不明真相的群众”表示：“你们说的每一个字我都不认识，但是你们说的东西我一点都听不懂！赞！！”
简而言之，这项工作的新成果在于“多个自由度”，因为以前已经实现了单个自由度的量子隐形传态。
什么是量子？一个量如果不能连续变化，只能取一些分立的值，好比上台阶，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。
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 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。
隐形传态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。好比 A 处有一辆汽车或一个人，不是把这辆汽车或这个人搬到 B 处，而是把 B 处本来就有的一堆汽车零件或原子组装成这辆汽车或这个人。
在隐形传态中，当 B 粒子获得 A 粒子最初的状态时，A 粒子的状态必然改变。任何时刻都只能有一个粒子处于目标状态，所以只是状态的移动，而不是复制。
量子隐形传态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，通过隐形传态，我们让远处的 B 粒子变成红色，而 A 粒子同时变成了绿色。但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。
量子隐形传态是什么时候实现的？是1997 年，当时潘建伟在奥地利因斯布鲁克大学的塞林格（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 teleporta-tion”）的文章，潘建伟是第二作者。这篇文章后来入选《自然》杂志的“百年物理学 21 篇经典论文”，与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。例如在数学中确定一条线上一个点的位置，只需要一个数，自由度就是 1。定位一个面上的一个点，无论用直角坐标、极坐标还是任何其他坐标系，都需要两个数，自由度就是 2。光子具有自旋角动量和轨道角动量，有两个自由度。1997 年的实验中传的只是自旋角动量。此后人们传输过多种体系的多种自由度，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。这在理论上完全可以实现。但与传输一个自由度相比，有极大的技术困难。隐形传态需要一个传输的“量子通道”，这个通道由多个粒子组成，这些粒子纠缠在一起，使得一个粒子状态的改变立刻造成其他粒子状态的改变。用量子力学的术语说，这些粒子处于“纠缠态”。让多个粒子在一个自由度上纠缠起来已是一个很困难的任务，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克了这个难关，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。
《道德经》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。
在2015年国际物理学十大突破中，中国独占一项（榜首的多自由度量子隐形传态），分享两项（外尔费米子和五夸克态）。美国独占三项（单电子同步辐射、便携式MRI 和费米子显微镜），分享两项（外尔费米子和五夸克态）。荷兰独占一项（无漏洞的贝尔实验）。德国独占一项（硫化氢的203 K 超导），对此中国科学家做了理论预测。澳大利亚和日本分享一项（硅量子逻辑门）。葡萄牙领衔，和法国、瑞士、智利分享一项（系外行星的光）。欧洲作为整体，有 CERN 发现的一项（五夸克态）。
五夸克态
按照这个统计，美国共有五项，整体实力最雄厚。中国有三项，包括榜首，整体仅次于美国，并且在局部占据制高点。可以说，以量子科学和量子技术为代表的科技成果从一个侧面反映出中国的科技正处于爆炸式发展中。
与这十大突破有关的中国科学家包括潘建伟、陆朝阳（多自由度量子隐形传态）、方忠、翁红明、戴希（外尔费米子）、高原宁、张黎明、杨振伟（五夸克态）、马琰铭、崔田（硫化氢超导）等人，他们分别出生于1970年、1982 年、1970 年、1977 年、1971 年、1963 年、1979 年、1976 年、1972 年和1964 年，年富力强，充满朝气，他们是中国科技井喷的缩影。对中国科学工作者、科普工作者和爱好科学的公众，这是最好的时代。对那些喋喋不休于中国人不会创新、永远没希望的人士来说，这是最坏的时代。
最大的幸福属于年轻学子，你们的面前有崭新的世界，无限的希望！
致谢：感谢中国科学技术大学陆朝阳教授、彭新华教授、清华大学杨振伟副教授以及科技与战略风云学会会员郭晓明博士、陈经等人的宝贵意见。
【本文发表于《高科技与产业化》2016年9月号（）。《高科技与产业化》由中国科学院主管，中国科学院文献情报中心与中国高科技产业化研究会主办。】
作者简介：袁岚峰，中国科学技术大学化学博士，中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室副研究员，科技与战略风云学会会长，微博@中科大胡不归 ，知乎@袁岚峰（https://www.zhihu.com/people/yuan-lan-feng-8）。代表作《中国科技实力正以多快的加速度逼近美国》。
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