施郁

文章千古事，得失寸心知。對(duì)于大大小小的每一個(gè)科學(xué)領(lǐng)域來(lái)說(shuō)，對(duì)于每一位科學(xué)工作者來(lái)說(shuō)，2019年自有得失?？茖W(xué)上真正的重要性亦不在于一時(shí)的吸引眼球。

總的來(lái)說(shuō)，我感覺(jué)，目前物理學(xué)的重要進(jìn)展比較多地在于實(shí)驗(yàn)、觀測(cè)和技術(shù)的進(jìn)步，而較少有重大的理論突破。但是隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)步的積累，理論突破可以期待。例如，天文觀測(cè)確定了暗物質(zhì)和暗能量的存在，雖然有各種理論，但還是猜測(cè)性較強(qiáng)；很多跡象早已表明粒子物理理論需要超越標(biāo)準(zhǔn)模型，然而怎么超越卻無(wú)定論；凝聚態(tài)理論和量子場(chǎng)論中的強(qiáng)關(guān)聯(lián)或強(qiáng)耦合依然困難；面對(duì)生命科學(xué)積累的豐富的實(shí)驗(yàn)資料，雖然物理學(xué)家已關(guān)注多年，普適的理論還有待建立。

據(jù)稱，2020年歐洲粒子物理實(shí)驗(yàn)室（CERN）將決定是否建造周長(zhǎng)100公里、能量6倍于大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)、價(jià)值234億美金的“未來(lái)環(huán)形對(duì)撞機(jī)”。這是高能物理方面的大事。

下面評(píng)介2019年兩個(gè)進(jìn)展特別突出的物理學(xué)領(lǐng)域。

黑洞之光

1919年，英國(guó)天文學(xué)家宣布，遠(yuǎn)方恒星的光經(jīng)過(guò)太陽(yáng)附近時(shí)，發(fā)生偏折，驗(yàn)證了愛(ài)因斯坦廣義相對(duì)論的預(yù)言。在第一次世界大戰(zhàn)的廢墟上，這個(gè)物理學(xué)新聞讓世界震動(dòng)，也將愛(ài)因斯坦送上神壇。

100年后的2019年，最大的物理學(xué)新聞也是關(guān)于廣義相對(duì)論的驗(yàn)證，也是通過(guò)光線偏折：光線偏折成了一個(gè)環(huán)！

黑洞外的吸積物質(zhì)產(chǎn)生的光（電磁波）在一個(gè)所謂光子環(huán)上繞行。光子環(huán)的大小是黑洞視界的1.5倍。在黑洞視界之內(nèi)，任何物質(zhì)，無(wú)論如何不能逃逸。而光子環(huán)上的光則可以逃逸，短波長(zhǎng)無(wú)線電波（又稱射電波）可以穿透星系中心的氣體和塵埃，被地球上的射電望遠(yuǎn)鏡探測(cè)到。光逃離黑洞時(shí)，也向外偏離，所以光子環(huán)看上去成為視界的2.6倍。

2017年4月，5個(gè)連續(xù)的夜晚，全球8個(gè)射電天文臺(tái)的望遠(yuǎn)鏡同時(shí)指向5 500萬(wàn)光年外的M87星系的中心。這些望遠(yuǎn)鏡中包括全世界最大的毫米波長(zhǎng)天文臺(tái)，建在智利的、擁有66座天線的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠(yuǎn)鏡（ALMA），以及10米的南極望遠(yuǎn)鏡，等等。這些望遠(yuǎn)鏡協(xié)同工作，利用原子鐘同步，并將數(shù)據(jù)整合，利用相干效應(yīng)，等效于一個(gè)接近地球大小的大望遠(yuǎn)鏡。這就是采用超長(zhǎng)基線干涉（VLBI）技術(shù)的事件視界望遠(yuǎn)鏡（EHT），200多名研究人員參與到了該項(xiàng)目。EHT搜集的數(shù)據(jù)達(dá)到15千萬(wàn)億字節(jié)，超過(guò)大強(qiáng)子對(duì)撞機(jī)一年的數(shù)據(jù)量。

研究人員將不同溫度的電磁輻射用不同的顏色表示，得到黑洞的首張 “照片”。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的65億倍，相對(duì)于我們作順時(shí)針旋轉(zhuǎn)。黑洞位于光環(huán)里面，所以照片可以稱為黑洞的剪影或影子。EHT實(shí)際上獲得了4天的觀測(cè)結(jié)果，每天都對(duì)3種軟件分析結(jié)果作平均。

絕大多數(shù)星系的中心都有這樣的超大質(zhì)量黑洞，我們銀河系中心也有，這就是位于人馬座的射電源Sgr A*。這個(gè)黑洞的質(zhì)量是太陽(yáng)質(zhì)量的430萬(wàn)倍，距離我們只有2.7萬(wàn)光年。也就是說(shuō)，比M87離我們近了2 000倍，但是質(zhì)量小1 500倍。因此從地球觀察，M87中心和Sgr A*兩個(gè)黑洞的角度尺寸接近。

EHT一開(kāi)始是同時(shí)觀察M87中心和Sgr A*。但是Sgr A*周圍的物質(zhì)變化太快，圖像不清楚，所以集中觀察了M87中心。

2020年EHT開(kāi)始新的觀測(cè)，有望發(fā)布Sgr A* 的觀測(cè)結(jié)果，甚至可能包括黑洞外的氣體乃至噴流的視頻。EHT的觀測(cè)波長(zhǎng)從1.3毫米降到了0.86毫米，以增加分辨率，而且已經(jīng)有格陵蘭島、亞利桑那和法國(guó)的射電望遠(yuǎn)鏡新加入EHT，將來(lái)還會(huì)擁有更多在世界各地乃至太空的望遠(yuǎn)鏡。

另外，引力波也已經(jīng)成為觀測(cè)黑洞和中子星的重要手段。2015年激光干涉引力波天文臺(tái)（LIGO）最早觀測(cè)到的引力波事件就是來(lái)自兩個(gè)黑洞的并合，后來(lái)又觀測(cè)到幾次黑洞并合。2017年，LIGO和歐洲的“處女座”引力波探測(cè)器（VIRGO）首次觀測(cè)到兩個(gè)中子星的并合。2020年4月25日，LIGO和VIRGO觀測(cè)到5億光年外的兩個(gè)中子星的碰撞。4月26日，他們又觀測(cè)到12億光年外的中子星和黑洞的碰撞。值得注意，這是第一次觀測(cè)到黑洞吞噬中子星。

最近，LIGO和VIRGO都增加了壓縮光設(shè)備，這降低了量子噪聲，更加準(zhǔn)確測(cè)量光子在發(fā)生干涉時(shí)的事件，從而增加了靈敏度。

黑洞、引力波都是一百年前的理論預(yù)言，但是只有等到當(dāng)代才能被仔細(xì)觀測(cè)，因?yàn)檫@依賴于很多當(dāng)代的科學(xué)技術(shù)。通過(guò)對(duì)黑洞附近的電磁波以及黑洞發(fā)出的引力波的觀測(cè)，我們將會(huì)大大提升對(duì)于黑洞這一極度彎曲的時(shí)空區(qū)域以及對(duì)于星系核的認(rèn)識(shí)。

有噪中度量子時(shí)代的開(kāi)始

一個(gè)比特有0和1兩個(gè)狀態(tài)，2個(gè)比特有00、01、10和11四個(gè)狀態(tài)，N個(gè)比特有2N個(gè)狀態(tài)。量子比特則可以處于這些基本狀態(tài)的量子疊加態(tài)，其中每個(gè)基本狀態(tài)都可能，而且每個(gè)由基本狀態(tài)重組而成的新的基本狀態(tài)也有可能，究竟實(shí)現(xiàn)哪組可能性，取決于如何去測(cè)量。量子疊加不同于經(jīng)典的概率論，與波動(dòng)現(xiàn)象類似，只是這里的波是概率波。

量子計(jì)算的方案正是基于對(duì)量子疊加態(tài)的操控。根據(jù)需要解決的計(jì)算問(wèn)題，巧妙地設(shè)計(jì)量子態(tài)的演化過(guò)程；然后對(duì)于演化終態(tài)做測(cè)量，得到各種基本狀態(tài)的概率分布。這個(gè)概率分布巧妙地包含了對(duì)計(jì)算問(wèn)題的解決。比如通過(guò)著名的Shor算法，量子計(jì)算有效地使得整數(shù)分解成素?cái)?shù)因子，速度比經(jīng)典算法指數(shù)級(jí)提高。不過(guò)真正有用的因子化需要幾百萬(wàn)量子比特。

但是量子態(tài)又很脆弱。如果量子比特與環(huán)境耦合，量子疊加態(tài)就會(huì)受到破壞。這也叫噪聲。而另一方面，為了完成量子計(jì)算，量子態(tài)演化以及最后的測(cè)量又需要操控。這個(gè)矛盾使得量子計(jì)算很難在物理上實(shí)現(xiàn)。量子比特?cái)?shù)目越多，則越難實(shí)現(xiàn)。而抵抗噪聲的量子糾錯(cuò)需要更多的量子比特。

但是，美國(guó)加州理工學(xué)院的理論物理學(xué)家裴士基（John Preskill）指出，對(duì)于某些計(jì)算任務(wù)而言，50至100個(gè)量子比特的有噪中度量子（NISQ）計(jì)算可以超出目前所有的經(jīng)典計(jì)算機(jī)，盡管這樣的量子計(jì)算過(guò)程有噪聲，缺少容錯(cuò)功能，不是普適量子計(jì)算機(jī)。這就是所謂的量子霸權(quán)（quantum superamacy）或量子優(yōu)勢(shì)（quantum advantage）。而且這樣的裝置可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)于各種量子多體過(guò)程的模擬，探索多體量子糾纏的性質(zhì)。量子糾纏是來(lái)自量子疊加態(tài)，超越經(jīng)典關(guān)聯(lián)的一種關(guān)聯(lián)。

如果系統(tǒng)包含的量子比特?cái)?shù)目N足夠大，比如50到100，那么2N個(gè)基本狀態(tài)上的概率分布就可以演示量子優(yōu)勢(shì)。即使N不是很大，2N已經(jīng)是如此之大，對(duì)于某些問(wèn)題，經(jīng)典計(jì)算機(jī)已經(jīng)不能有效解決，而量子計(jì)算可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)取樣決定。

Google公司約翰·馬丁尼斯（John Martinis）領(lǐng)導(dǎo)的量子計(jì)算研究組用53個(gè)超導(dǎo)量子比特（每個(gè)量子比特物理上由超導(dǎo)器件實(shí)現(xiàn)）組成的處理器，實(shí)現(xiàn)了1億億個(gè)基本量子態(tài)構(gòu)成的狀態(tài)空間。他們的量子線路中包含隨機(jī)選擇的單比特門，以此進(jìn)行所謂隨機(jī)量子線路取樣。然后在輸出態(tài)中，統(tǒng)計(jì)基本量子態(tài)概率分布。他們?cè)?00秒內(nèi)進(jìn)行了100萬(wàn)次采樣。同樣的計(jì)算任務(wù)需要耗費(fèi)目前超級(jí)計(jì)算機(jī)的很長(zhǎng)時(shí)間。Google團(tuán)隊(duì)說(shuō)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)需要花費(fèi)1萬(wàn)年來(lái)完成這個(gè)計(jì)算任務(wù)；后來(lái)IBM的科學(xué)家說(shuō)，改進(jìn)一下算法，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)只需要兩天半就可以完成這個(gè)計(jì)算任務(wù)，但是要使用大量的信息存儲(chǔ)空間。

另外，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陸朝陽(yáng)領(lǐng)導(dǎo)的研究組，將20個(gè)光子在60個(gè)單光子狀態(tài)上進(jìn)行分配，輸出量子疊加態(tài)。光子是玻色子，也就是說(shuō)，光子是互相不可區(qū)分的，而且不同的光子可以占據(jù)相同的單光子狀態(tài)。這導(dǎo)致基本量子態(tài)有370億個(gè)之多，但也導(dǎo)致計(jì)算基本量子態(tài)的概率分布非常復(fù)雜，通常用經(jīng)典計(jì)算機(jī)的計(jì)算非常費(fèi)時(shí)，正如大數(shù)因子化。而在量子實(shí)驗(yàn)中，這可以直接取樣測(cè)量。通過(guò)隨機(jī)采樣計(jì)算這個(gè)概率分布的方法叫作玻色采樣，是量子優(yōu)勢(shì)的一個(gè)體現(xiàn)途徑。

實(shí)現(xiàn)了量子優(yōu)勢(shì)后，一個(gè)有趣的問(wèn)題就是在科學(xué)研究和應(yīng)用上尋找更好的用武之地。我認(rèn)為，從基礎(chǔ)物理學(xué)角度來(lái)說(shuō)，有噪中度量子系統(tǒng)也有特別的意義。安德森（P.W.Anderson）有句名言：“多者異也（more is different）。”即大量粒子構(gòu)成的多體系統(tǒng)呈現(xiàn)出單個(gè)或少個(gè)粒子不具有的涌現(xiàn)（emergent）性質(zhì)。處于可控量子態(tài)的多體系統(tǒng)，帶來(lái)了“量子多”（quantum more）或“量子復(fù)雜性”（quantum complexity）這一新的方向。

有噪中度量子時(shí)代的晨曦已經(jīng)降臨。