施郁

文章千古事，得失寸心知。對于大大小小的每一個科學領(lǐng)域來說，對于每一位科學工作者來說，2019年自有得失?？茖W上真正的重要性亦不在于一時的吸引眼球。

總的來說，我感覺，目前物理學的重要進展比較多地在于實驗、觀測和技術(shù)的進步，而較少有重大的理論突破。但是隨著實驗進步的積累，理論突破可以期待。例如，天文觀測確定了暗物質(zhì)和暗能量的存在，雖然有各種理論，但還是猜測性較強；很多跡象早已表明粒子物理理論需要超越標準模型，然而怎么超越卻無定論；凝聚態(tài)理論和量子場論中的強關(guān)聯(lián)或強耦合依然困難；面對生命科學積累的豐富的實驗資料，雖然物理學家已關(guān)注多年，普適的理論還有待建立。

據(jù)稱，2020年歐洲粒子物理實驗室（CERN）將決定是否建造周長100公里、能量6倍于大強子對撞機、價值234億美金的“未來環(huán)形對撞機”。這是高能物理方面的大事。

下面評介2019年兩個進展特別突出的物理學領(lǐng)域。

黑洞之光

1919年，英國天文學家宣布，遠方恒星的光經(jīng)過太陽附近時，發(fā)生偏折，驗證了愛因斯坦廣義相對論的預言。在第一次世界大戰(zhàn)的廢墟上，這個物理學新聞讓世界震動，也將愛因斯坦送上神壇。

100年后的2019年，最大的物理學新聞也是關(guān)于廣義相對論的驗證，也是通過光線偏折：光線偏折成了一個環(huán)！

黑洞外的吸積物質(zhì)產(chǎn)生的光（電磁波）在一個所謂光子環(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)，無論如何不能逃逸。而光子環(huán)上的光則可以逃逸，短波長無線電波（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鏡探測到。光逃離黑洞時，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個連續(xù)的夜晚，全球8個射電天文臺的望遠鏡同時指向5 500萬光年外的M87星系的中心。這些望遠鏡中包括全世界最大的毫米波長天文臺，建在智利的、擁有66座天線的阿塔卡瑪毫米/亞毫米波陣列望遠鏡（ALMA），以及10米的南極望遠鏡，等等。這些望遠鏡協(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，等效于一個接近地球大小的大望遠鏡。這就是采用超長基線干涉（VLBI）技術(shù)的事件視界望遠鏡（EHT），200多名研究人員參與到了該項目。EHT搜集的數(shù)據(jù)達到15千萬億字節(jié)，超過大強子對撞機一年的數(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”。這個黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的65億倍，相對于我們作順時針旋轉(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實際上獲得了4天的觀測結(jié)果，每天都對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*。這個黑洞的質(zhì)量是太陽質(zhì)量的430萬倍，距離我們只有2.7萬光年。也就是說，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*兩個黑洞的角度尺寸接近。

EHT一開始是同時觀察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開始新的觀測，有望發(fā)布Sgr A* 的觀測結(jié)果，甚至可能包括黑洞外的氣體乃至噴流的視頻。EHT的觀測波長從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、亞利桑那和法國的射電望遠鏡新加入EHT，將來還會擁有更多在世界各地乃至太空的望遠鏡。

另外，引力波也已經(jīng)成為觀測黑洞和中子星的重要手段。2015年激光干涉引力波天文臺（LIGO）最早觀測到的引力波事件就是來自兩個黑洞的并合，后來又觀測到幾次黑洞并合。2017年，LIGO和歐洲的“處女座”引力波探測器（VIRGO）首次觀測到兩個中子星的并合。2020年4月25日，LIGO和VIRGO觀測到5億光年外的兩個中子星的碰撞。4月26日，他們又觀測到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，更加準確測量光子在發(fā)生干涉時的事件，從而增加了靈敏度。

黑洞、引力波都是一百年前的理論預言，但是只有等到當代才能被仔細觀測，因為這依賴于很多當代的科學技術(shù)。通過對黑洞附近的電磁波以及黑洞發(fā)出的引力波的觀測，我們將會大大提升對于黑洞這一極度彎曲的時空區(qū)域以及對于星系核的認識。

有噪中度量子時代的開始

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

量子計算的方案正是基于對量子疊加態(tài)的操控。根據(jù)需要解決的計算問題，巧妙地設(shè)計量子態(tài)的演化過程；然后對于演化終態(tài)做測量，得到各種基本狀態(tài)的概率分布。這個概率分布巧妙地包含了對計算問題的解決。比如通過著名的Shor算法，量子計算有效地使得整數(shù)分解成素數(shù)因子，速度比經(jīng)典算法指數(shù)級提高。不過真正有用的因子化需要幾百萬量子比特。

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)就會受到破壞。這也叫噪聲。而另一方面，為了完成量子計算，量子態(tài)演化以及最后的測量又需要操控。這個矛盾使得量子計算很難在物理上實現(xiàn)。量子比特數(shù)目越多，則越難實現(xiàn)。而抵抗噪聲的量子糾錯需要更多的量子比特。

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

如果系統(tǒng)包含的量子比特數(shù)目N足夠大，比如50到100，那么2N個基本狀態(tài)上的概率分布就可以演示量子優(yōu)勢。即使N不是很大，2N已經(jīng)是如此之大，對于某些問題，經(jīng)典計算機已經(jīng)不能有效解決，而量子計算可以通過實驗取樣決定。

Google公司約翰·馬丁尼斯（John Martinis）領(lǐng)導的量子計算研究組用53個超導量子比特（每個量子比特物理上由超導器件實現(xiàn)）組成的處理器，實現(xiàn)了1億億個基本量子態(tài)構(gòu)成的狀態(tài)空間。他們的量子線路中包含隨機選擇的單比特門，以此進行所謂隨機量子線路取樣。然后在輸出態(tài)中，統(tǒng)計基本量子態(tài)概率分布。他們在200秒內(nèi)進行了100萬次采樣。同樣的計算任務(wù)需要耗費目前超級計算機的很長時間。Google團隊說傳統(tǒng)計算機需要花費1萬年來完成這個計算任務(wù)；后來IBM的科學家說，改進一下算法，傳統(tǒng)計算機只需要兩天半就可以完成這個計算任務(wù)，但是要使用大量的信息存儲空間。

另外，中國科學技術(shù)大學潘建偉、陸朝陽領(lǐng)導的研究組，將20個光子在60個單光子狀態(tài)上進行分配，輸出量子疊加態(tài)。光子是玻色子，也就是說，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)。這導致基本量子態(tài)有370億個之多，但也導致計算基本量子態(tài)的概率分布非常復雜，通常用經(jīng)典計算機的計算非常費時，正如大數(shù)因子化。而在量子實驗中，這可以直接取樣測量。通過隨機采樣計算這個概率分布的方法叫作玻色采樣，是量子優(yōu)勢的一個體現(xiàn)途徑。

實現(xiàn)了量子優(yōu)勢后，一個有趣的問題就是在科學研究和應用上尋找更好的用武之地。我認為，從基礎(chǔ)物理學角度來說，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）?！奔创罅苛Ｗ訕?gòu)成的多體系統(tǒng)呈現(xiàn)出單個或少個粒子不具有的涌現(xiàn)（emergent）性質(zhì)。處于可控量子態(tài)的多體系統(tǒng)，帶來了“量子多”（quantum more）或“量子復雜性”（quantum complexity）這一新的方向。

有噪中度量子時代的晨曦已經(jīng)降臨。