什么是自由度？自由度就是描述一個體系所需的變量的數(shù)目。例如一個靜止在一條線上的粒子，描述它只需要一個數(shù)，自由度就是1。靜止在一個面上的粒子，自由度就是2。三維空間中的靜止粒子，自由度就是3。描述三維空間中一個運動的粒子，需要知道位置的3個分量和動量的3個分量，自由度是6。光子具有自旋角動量和軌道角動量，如果你看不懂這兩個詞，沒關(guān)系，只要明白它們是兩個自由度就夠了。在1997年的實驗中，傳的只是自旋。此后各種體系的各種自由度都被傳輸過，但每次實驗都只能傳輸一個自由度。
傳輸一個自由度固然很厲害，但是只具有演示價值。隱形傳態(tài)要實用，就必須傳輸多個自由度。這在理論上是完全可以實現(xiàn)的。打個比方，現(xiàn)在用顏色和形狀來表示狀態(tài)，A粒子最初是紅色的正方體，我們可以讓B粒子變成紅色的正方體，同時A變成綠色的球體。這個擴展看似顯而易見，但跟傳輸一個自由度相比，有極大的困難。隱形傳態(tài)實驗一般需要一個傳輸?shù)?ldquo;量子通道”，這個通道是由多個粒子組成的，這些粒子糾纏在一起，使得一個粒子狀態(tài)的改變立刻就會造成其他粒子狀態(tài)的改變。用物理學術(shù)語說，這些粒子處于“糾纏態(tài)”。制備多粒子的糾纏態(tài)已經(jīng)是一個很困難的任務了，而要傳輸多個自由度，就需要制備多粒子的多個自由度的“超糾纏態(tài)”，更加令人望而生畏。潘建偉研究組就是攻破了這個難關(guān)，搭建了6光子的自旋-軌道角動量糾纏實驗平臺，才實現(xiàn)了自旋和軌道角動量的同時傳輸。
用《道德經(jīng)》的話說：“道生一，一生二，二生三，三生萬物。”1997年實現(xiàn)了道生一，那時潘建偉還是博士生。2015年實現(xiàn)了一生二，這時他已經(jīng)是量子信息的國際領(lǐng)導者。從傳輸一個自由度到傳輸兩個自由度，走了18年之久，這中間有無數(shù)的奇思妙想、艱苦奮斗，是人類智慧與精神的偉大贊歌。
下面我們來看其余九大突破。再次強調(diào)，排名不分先后，九名并列亞軍。每一項工作都是科學家們的卓越成就，值得我們熱烈鼓掌�；緝�(nèi)容是我對上引歐洲物理學會新聞的翻譯，有些地方加上我的注釋。
首次測量到單電子的同步輻射。獎給8號項目（Project 8）協(xié)作組（注釋：8號項目的兩位發(fā)言人來自美國的麻省理工大學和加州大學圣塔芭芭拉分校），他們測量到氪-83的β衰變中發(fā)射出的單個電子的同步輻射。輻射是在電子通過磁場時發(fā)出的，使得團隊可以對粒子被發(fā)射時的能量作出非常精確的測量。8號項目正在努力提高測量精度，以用于計算物理學中最難以捉摸的量之一——電子型反中微子的質(zhì)量，這些電子型反中微子也是在β衰變中發(fā)射出的。注釋：根據(jù)相對論，能量等于質(zhì)量乘以光速的平方。因此如果精確地知道一個核反應前后那些能觀測到的粒子的能量，兩者相減就得到那些觀測不到的粒子（在這里是電子型反中微子）帶走的能量，也就知道了這些粒子的質(zhì)量。因為中微子的質(zhì)量非常微小，接近于零，所以這個實驗需要極高的精度，才能得出有意義的結(jié)果。
終于發(fā)現(xiàn)了外爾費米子。獎給普林斯頓大學的Zahid Hasan、麻省理工大學的Marin Soljačić以及中國科學院（注釋：物理研究所）的方忠與翁紅明，為他們關(guān)于外爾費米子的先驅(qū)性工作。這些無質(zhì)量的粒子是德國數(shù)學家赫爾曼·外爾（Hermann Weyl）在1929年預言的。Hasan和方忠、翁紅明領(lǐng)導的團隊各自獨立地在準金屬砷化鉭（TaAs）中發(fā)現(xiàn)了一種準粒子的指示性證據(jù)，這種準粒子表現(xiàn)得就像外爾費米子。Soljačić和同事們在一種非常不同的材料中發(fā)現(xiàn)了存在外爾玻色子的證據(jù)，——一種“雙gyroid”（注釋：gyroid是一種無窮連接的三重周期性最小面，參見https://en.wikipedia.org/wiki/Gyroid）的光子晶體。外爾費米子的無質(zhì)量特性意味著它們可能被用于高速電子學，此外由于它們面對散射時受到拓撲保護，對量子計算機可能也有用處。注釋：對外爾費米子的一個介紹，可以見中科院物理所戴希研究員的博客《外爾半金屬的故事》（http://blog.sciencenet.cn/blog-600872-906367.html），他和方忠用理論計算預測了在TaAs中發(fā)現(xiàn)外爾費米子的可能性。現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的外爾費米子不是真實的粒子，而是一種真實粒子的集體運動模式，即準粒子，這是凝聚態(tài)物理中特有的現(xiàn)象。外爾最初是在粒子物理領(lǐng)域預言這種粒子的，尋找它花了86年，最終卻是在凝聚態(tài)物理領(lǐng)域找到了這種粒子。在凝聚態(tài)物理中實現(xiàn)粒子物理的理論，是當代物理學一種普遍而有趣的思路。
