中国量子天团入选APS年度十大进展|中国量子天团|光子|希格斯|潘建伟|粒子|量子理论

光子盒研究院出品

12月20日，美国物理学会（APS）旗下的Physics网站公布了2022年的国际物理学领域的十项重大进展（“Highlights of the Year”）[1]，回顾了今年国际范围内取得的代表性科研成果。中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳等和南方科技大学范靖云等完成的实数量子力学检验系列实验也被APS纳入其中。

值得一提的是，这是潘建伟团队第二年入选APS十大进展了。2021年，中国科学技术大学潘建伟、朱晓波、陆朝阳等完成的“祖冲之二号”和“九章二号”量子计算优越性实验成功入选年度十大进展。

量子力学不是实数的

写入量子薛定谔方程的是虚数i，这意味着方程的解可以是复数值。但是复数只是数学上的工具吗？能否仅基于实数来发展量子理论？长期以来，一些物理学家确实争辩说，实值量子力学可以给出与传统量子力学相同的预测，但2022年，中国科学技术大学潘建伟、陆朝阳团队和南方科技大学范靖云团队独立地实验排除了实数形式的标准量子力学。

如下图所示，Alice、Bob和Charlie三方进行类似贝尔不等式的实验。两个源分别在Alice和Bob以及Bob和Charlie之间分发纠缠的量子比特。每一方从一组可能性中独立选择对其量子比特进行的测量。由于源是独立的，因此发送给Alice和Charlie的量子比特最初是不相关的。Bob从两个源接收一个量子比特，通过执行贝尔态测量，他在Alice和Charlie的量子比特之间生成纠缠，即使这些量子比特从未相互作用——这个过程称为“纠缠交换”(entanglement swapping)。

实数量子理论无法描述小型量子网络上的某些测量。两个源将纠缠的量子比特分配给三个观察者，观察者通过对量子比特的测量计算“分数”。在这两个实验中，获得的分数与实值的传统量子力学公式不兼容。

简单来说，就是两个源将纠缠的量子比特分发给三个观察者，观察者通过对量子比特的测量计算“分数”。在这个理论框架下，实数形式的界限为7.66。

在2022年初，南科大范靖云团队在实验中采用的是“部分”贝尔态测量，而中科大潘建伟团队进行了完整的贝尔态测量。中科大使用超导量子处理器，其中的量子比特具有独立控制和读出功能。南科大选择了一种更容易实现这种独立性的光子实现。具体来说，使用由参量下转换产生的偏振纠缠光子，并在超导纳米线单光子探测器中探测。然而光子方法无法实现完整的贝尔态测量。

总之，这两个实验都提供了令人信服的结果：中科大和南科大的实验分别以43σ和4.5σ的标准差击败了实数理论的分数，提供了令人信服的证据，证明需要复数来描述实验。

但故事还没有结束。实验科学家一直致力于不断地关闭各种潜在的漏洞，以获得更为精确的实验证明。

为了更严格地检验复数的客观存在性，中国科学技术大学的潘建伟、陆朝阳、张强等与济南量子技术研究院等单位的科研人员合作，利用类空间隔的纠缠交换光量子网络对实数形式的量子力学进行了检验，在国际上首次关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞[2]。

潘建伟团队在类空间隔纠缠交换光量子网络的基础上，利用网络中的两个独立源各自独立产生纠缠光子对，分发给远处的三个参与者进行高速随机的光子测量操作，如下图所示。实验过程中，参与者不受其他参与者的测量选择和结果影响，各自独立地进行本地的随机操作。

实验示意图。肖像图分别是三个并列第一作者，从左到右顾雪梅、吴典、江扬帆。

实验分布在五个位置，每个位置至少相距89米，确保信息需要以超过光速的速度从实验的一部分传播到另一部分，才能干扰结果。这种预防措施旨在帮助排除未知机制(至少是当前物理定律允许的机制)影响实验的可能性。

实验结果以5.3个标准差超过了实数形式的量子力学预测结果，严格验证了量子力学中复数的不可或缺。在国际上首次关闭定域性、测量独立性以及纠缠源独立性等漏洞。上述分析也表明，复数对于描述这样的实验是必不可少的，实数不足以描述我们通常理解的量子世界。

APS的另外九大进展

除了实数量子力学检验实验，还有九大进展入选：

激光聚变点火

美国国家点火装置实现期待已久的里程碑。今年早些时候，该团队实现了点火，这是一种自我维持的燃烧状态，在这种状态下，局部自热主导了外部加热和对环境的能量损失[3]。上周，研究人员宣布他们已经迈出了下一步：演示了激光诱导的核聚变反应，产生的能量超过了它所消耗的能量[4]。虽然实用的激光核聚变反应堆仍然需要几十年的时间，但这些结果表明，激光核聚变的进展速度与计算机发展的速度相似。

物理学的多样性

今年Physics杂志推出了新的播客：《这就是物理》。第一集报道了LGBTQ+物理学家所面临的困难。最近的研究表明，LGBTQ+物理学家经常被回避或骚扰，而这些被排斥的经历会极大地影响他们的职业生涯。受访的LGBTQ+科学家们分享了他们的个人斗争以及他们的积极经历。他们还强调，改善物理学界的氛围可以通过展示支持来完成，比如尊重代名词、提供性别中立的浴室、以及准备好为受到不公平对待的人提供帮助。

观察到银河系的黑洞

5月，科学家公布了有史以来第二张黑洞图像。这项任务并非易事，因为它涉及到从不同的望远镜拍摄的快照中恢复完整的图像，并且由于人马座A*周围气体的运动而被破坏。为了解决这些问题，研究小组开发了一些算法，可以从成千上万的重建图像中挑选出最适合不完整数据的图像。

关于希格斯玻色子的更多信息

希格斯玻色子被发现十年后，没有任何关于希格斯玻色子的信息违背了标准模型。但粒子物理学家认为，研究希格斯粒子比以往任何时候都更重要。了解希格斯粒子如何与自身以及与其他粒子相互作用，或者找到其他类似希格斯的粒子，可以帮助物理学家破译暗物质的性质，或者解释物质对反物质的支配地位。

大型强子对撞机的第三次运行于7月开始，将使可用于分析的希格斯粒子数量翻倍[5]。共同发现希格斯粒子的CMS协作组发言人Luca Malgeri说：“我们正在真正进入精确希格斯物理学的时代。”

两个空间科学里程碑

7月12日，美国宇航局与世界分享了詹姆斯-韦伯太空望远镜拍摄的第一批图像，这是发射到太空的最大的望远镜。整整三个月后，他们证实了一个行星防御工具的首次演示，其中涉及到将航天器撞向一颗小行星，并完成了它的目的：改变小行星的轨道。虽然这两项任务的启示仍在发掘之中，但这一年很可能会作为空间研究的分水岭而载入史册。

解读蛋白质折叠

在过去的几年里，机器学习模型AlphaFold在从其组成的氨基酸序列预测三维蛋白质结构方面取得了显著的成功。今年，研究人员表明[6]，AlphaFold还可以揭示支配折叠过程的基本物理原理。任何给定的氨基酸序列都可以以大量的方式折叠，而AlphaFold可以从所有候选配置中挑选出可行的方式。研究发现，在这样做的过程中，AlphaFold“学习”了物理原理，例如所谓的蛋白质折叠的能量潜力。

这一发现表明，机器学习可以发现关于复杂的生物分子过程的信息，而这些信息无法从第一原理中得出。

引力质量=惯性质量

夏末，卫星实验MICROSCOPE报告说，它以迄今为止最高的精度验证了等效原理。根据这一原则，引力质量和惯性质量是完全等价的，发现两者之间的差异可以揭示出与暗物质和暗能量等神秘事物有关的超越标准模型的物理学。自伽利略时代以来进行的实验以越来越高的灵敏度证实了这个原理。不受影响地球上的测试的干扰，MICROSCOPE打破了所有的灵敏度记录。通过比较两个由不同材料制成的圆柱体的下落速度，它表明，如果引力质量和惯性质量有差异，那也不到1015分之1。

汞之谜被破解

当研究人员开发出一种能够从第一原理预测金属行为的理论描述时，汞(Mercury)——有史以来第一个被发现的超导体，揭开了它最后剩下的一些秘密。

超导性的发现是在1911年，当时物理学家Heike Kamerlingh Onnes将汞冷却到大约4K。虽然汞的超导性后来被认为是普遍的，但没有任何微观理论能够准确描述它。通过考虑与汞的超导性有关的微妙和经常被忽视的效应，研究人员做到了这一点。所获得的见解可能有助于在接近环境温度和压力的条件下按设计寻找常规超导体的材料。

更清晰的量子听觉

一种快速测量量子力学纠缠光子对的新技术导致了一种量子光学麦克风的演示，它比经典的麦克风更胜一筹。在演示中，研究小组将一系列以低音量说话的单词编码成由纠缠光子携带的光信号，然后检测并转换为声音记录。听众在这些“量子录音”中识别的单词比用同等的经典技术记录的单词更准确。

研究人员说，他们的演示显示了他们的方法在测量快速、噪声信号方面的潜力，例如那些由生物细胞中的单分子运动产生的信号。

[1] https://physics.aps.org/articles/v15/197

[2] http://news.ustc.edu.cn/info/1055/80843.htm

[3] https://physics.aps.org/articles/v15/67

[4] https://physics.aps.org/articles/v15/195

[5] https://physics.aps.org/articles/v15/104

[6] https://physics.aps.org/articles/v15/183

量子力学必须是复数的！中国科大首次在严格定域条件下完成验证

恭喜！APS量子计算奖连续两年颁给中国人

陆朝阳：量子计算，仍在山脚下