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諾貝爾物理學獎 中國人錯過了嗎？

“好奇心總是驅使我去尋求一些物質在極端情況下是如何反應的答案，把普世的科學放在極端的條件下，往往會有驚人的發現。我花大量時間研究理論概念，概念是非常抽象的，但是概念是一切應用的基礎。”這是曾經因為發現石墨烯而獲得諾貝爾物理獎的康斯坦丁·諾沃肖洛夫在兩周前對第一財經記者所說的一段話。

諾沃肖洛夫的信念昨天在三位英國科學家身上再次發出光芒。

諾貝爾物理學獎昨天授予David Thouless、Duncan Haldane和 Michael Kosterlitz三位科學家，他們因為發現“拓撲相變和拓撲物態理論”被授予這一科學界的最高榮譽。“物質在極端狀態下會產生何種變化”再次成為研究的重點。他們的研究可能提升電子材料的性能，並且已經向超級計算機的研發成功邁進一步。

極端狀態下的原子運動

試想如果物質在非常冷或者非常平的狀態下，原子的運動會發生何種異常的變化？“拓撲物態理論”補充了人們所熟悉的普通的物態變化，比如物質如何從固體變為液體再變為氣體。

所謂“拓撲”，是數學的一個分支，主要研究的是幾何形狀在連續形變中所不改變的性質。最經典的例子，比如一個沒有洞的肉桂面包，有一個洞的百吉圈和有兩個洞的扭結面包之間的變化。而“相變”就是物質在外界條件連續變化時，從一種“相”變成另一種“相”的過程，比如冰融化成水。

普林斯頓大學的Haldane教授是理論凝聚態物理學家，他表示：“這個研究工作很早以前就開始了，但是直到今天才有了重大的新發現，並且將理論得以延伸。我對此感到驚訝。”三位科學家是使用數學的方法來解釋物質在罕見狀態下所發生的物理變化，比如超導體、超流體和薄磁膜。

來自華盛頓大學的Thouless教授和布朗大學的Kosterlitz教授聚焦在超薄的二維介質，比如超薄膜的表面或者中間層。Haldane教授則更是聚焦於一維物質，這些都不同於人們通常定義的三維的物質。他們使用的大部分方法是“拓撲相變理論”。

傳統的觀點認為，超導或者超流不可能在中間層發生，但是Kosterlitz和Thouless推翻了它，他們證明了超導能在低溫條件下發生，並闡明了機制，相變使得超導現象在高溫條件下消失。

量子計算機邁進一大步

諾貝爾委員會認為，當今人們所使用的“前沿技術”，比如電腦，根本上是依賴於人們理解和掌控材料性質的能力。三位獲獎的物理學家用他們的理論發現解釋了非常態的物質變化，建立了“拓撲相變”的數學概念，這為將來新材料的設計提供了新的物質特性的理論基礎，這將引領未來重大的技術發展。

其中一個重大的應用前景可能是量子計算機。劍橋大學教授Nigel Cooper表示：“科學家正在尋求拓撲相變的概念是否能夠用於量子設備，來解決傳統計算機和電路元素所無法解決的問題。它可能不會在你的iPhone里面，但是會存在於全世界的政府實驗室。”

事實上，微軟的量子計算機項目Station Q已經在用拓撲理論研發量子計算機。早在10年前，Station Q的創始人就發表過一篇論文，里面提到通過建立“分子量霍爾”系統，從中創造有拓撲保護性的量子比特。幾年後，通過納米線將實現量子計算的準粒子Majorana轉化成有拓撲保護性的量子比特理論被提出。

“Station Q在量子計算機領域的研究一直都在進行。從拓撲相變的角度來看，可以給量子信息更強的抵禦外界幹擾的能力。”Cooper教授表示。他還說，拓撲金屬能夠用於導體和晶體管的制造。

華人科學家功不可沒

中科院量子信息與量子科技前沿卓越創新中心一名研究員對第一財經記者表示：“這次獲獎的是一個很基礎的理論，並不涉及具體的材料應用，不過建立在此基礎上的材料，比如半導體，將會對未來的量子計算機有用。”他還表示，如果未來諾貝爾獎涉及到應用，那麽獲獎的很有可能是中國人。

這位研究員所說的中國人，是著名華裔物理學家、斯坦福大學教授張首晟。張首晟在十年前對拓撲絕緣體的研究做出過重要貢獻。在拓撲絕緣體工作取得重大突破後，中國科學家做了很多重要工作，包括量子反常霍爾效應的實驗發現和外爾半金屬的發展，在拓撲材料的合成、基本性質表征以及物理效應發現等方面，中國物理學家已經處於國際的第一梯隊。

不過，也許說張首晟與諾獎擦肩而過還為時過早。清華大學教授薛其坤院士表示：“這一領域再獲諾貝爾獎的可能性仍然存在。”薛其坤的工作也驗證了科學家們尋找百年的物理效應，同樣堪稱諾獎級工作。中科院物理所研究員翁紅明則表示：“未來拓撲絕緣體如果能真正將量子霍爾效應應用起來，諾獎或許會再度光臨拓撲領域。”