量子萬象
劉仁保游刃於量子奇境
科幻電影不乏量子力學的題材，例如《蟻俠與黃蜂女：量子狂熱》及《天能》，箇中角色在多重宇宙往返令人嘖嘖稱奇，這個概念建基於量子位元（qubit），而電子、離子或光子皆可以攜帶量子位元。中大量子物理專家劉仁保教授今年1月獲選為首屆「新基石研究員」，將致力研究量子多體激光。
量子物體必須處於疊加（superposition）狀態，才可以成為量子位元。當兩個量子粒子糾纏在一起時，即使處於不同空間，兩者卻可以即時互相關聯：一個粒子被測量後會發生量子態坍塌，另一個粒子的狀態亦相應坍塌。
普通的光照在牆上是分散的，激光就是大量光子以同一狀態同時出現，光子按同一節奏振動，顏色純，強度高，用物理學的字眼來說，即相干度（coherence）高。各地科學家嘗試設計不同系統去實現量子計算，光子（photon）是其中一個方法，但光子沒有相互作用，難以操作和掌控。劉教授研究的量子多體激光可用於發展新的光子量子計算方法。
「既死又活」的薛丁格貓
傳統電腦的信息位元（bit）是0或1，意味信息僅限於0或1；量子位元是量子計算的基石，可以表示一個0、一個1，或者0和1組合的疊加，令量子電腦可並行處理多條信息。用傳統電腦的演算法找一個數字的質因數，所需時間與數字長度呈幾何級數增長，量子電腦算法僅呈三次方增長，遠快於傳統電腦。
要理解量子疊加，就不得不提及物理學家薛丁格，他假設有隻貓被關在一個密閉盒子，內有一瓶裝着劇毒氣體的玻璃瓶，一旦釋放出毒氣，貓會死亡。要知道貓是死是活，我們必須打開盒子，若不打開盒子，我們只能推斷貓或生或死，即盒內有隻「既死又活」的貓。
現實生活不會出現這樣的「幽靈貓」，但量子位元可以同時具有兩個狀態（疊加態），打破疊加態的方法是測量。例如，我們打開盒子後便知道了貓的生死，因為結果是確定的，貓非死即活，疊加態便不復存在。劉教授說：「量子一旦遭受環境干擾就會發生『退相干』（decoherence），這樣不穩定的量子態是實現量子電腦的障礙。」
化弱點為強項
劉教授提出新構思：既然量子位元這麼脆弱，倒不如設計一個量子系統，觀察它如何失去相干性質，便可以得知關於環境的信息。「這個理念兼容coherence和decoherence。這樣，我可以把弱點加以善用，成為精密的探測器。不好的事可以是好的。」
要達成「光子多體態」非常困難，因光子沒有相互作用。劉教授把相干度高的原子和光子束縛起來，形成糾纏態的『多體激光』。多體物理學不是嶄新的理論，但科學家大都研究結構穩定的原子，劉教授是首先提出「量子多體激光」的科學家。
「傳統的激光可以拆分，因此它携帶的信息容易被截取。多體激光就不一樣了，我把一束光分出去，其内部量子態的結構並不同於初始的光，這樣萬一這束光被人偷偷分了一部分，它結構不同了，我便知道信息被截取了。」此技術可以於量子通訊加密，也可用於量子探測。
頂尖科研的基石
劉教授2005年加入中大物理系。他在美國完成博士後研究，曾在美國、中國內地和香港找工作，「我最想去香港，因為香港有華人的生活環境，又有西方的學術和評價體系，而中大有優秀的科研環境和人才，有獨特的科研文化，也讓我有空間和資源專注於基礎科研和教學。」
他在2023年初獲選為首屆「新基石研究員」，這個由騰訊公司設立的項目聚焦原創與公益，鼓勵科學家自由探索，全國共有58名傑出科學家獲選，當中包括三名香港科學家，其中兩人來自中大，分別為劉教授及數學系何旭華教授，獲得最高人民幣2,500萬元的五年研究經費。
劉教授說：「放眼世界，很少有如此大筆經費支持一個研究項目，而且用途非常靈活，可以買儀器、聘用員工，又可以參與海外學術會議。我喜歡與頂尖的科學家交流，過程中往往激發新思維。」
他坦言做研究難免有壓力，主要來自對解決難題的期望。「我每日都做運動，週末會泡咖啡和看書，天氣好的話會遠足。遇到困難時放鬆一下，狀態好了自然會有新想法，發現新的可能性。」
關於劉仁保教授
中大物理系教授，量子相干中心主任、香港量子信息科技研究所所長，「黃昆獎」和「激光科學與量子光學蘭姆獎」得主，香港研資局高級研究員，也是美國光學學會會士及理學院傑出學人，主要學術成果包括中心自旋退相干的量子多體理論、對量子位元相干的動力學解耦保護、確立中心自旋相干的零點與李楊零點的等價性、原子尺度核磁共振的量子傳感方案，以及發明可在室溫下連續工作的金剛石微波激射器等。
文／Jenny Lau
攝／Gloria Ng
