量子万象
刘仁保游刃于量子奇境
科幻电影不乏量子力学的题材，例如《蚁侠与黄蜂女：量子狂热》及《天能》，个中角色在多重宇宙往返令人啧啧称奇，这个概念建基于量子位（qubit），而电子、离子或光子皆可以携带量子位。中大量子物理专家刘仁保教授今年1月获选为首届「新基石研究员」，将致力研究量子多体激光。
量子物体必须处于迭加（superposition）状态，才可以成为量子位。当两个量子粒子纠缠在一起时，即使处于不同空间，两者却可以实时互相关联：一个粒子被测量后会发生量子态坍塌，另一个粒子的状态亦相应坍塌。
普通的光照在墙上是分散的，激光就是大量光子以同一状态同时出现，光子按同一节奏振动，颜色纯，强度高，用物理学的字眼来说，即相干度（coherence）高。各地科学家尝试设计不同系统去实现量子计算，光子（photon）是其中一个方法，但光子没有相互作用，难以操作和掌控。刘教授研究的量子多体激光可用于发展新的光子量子计算方法。
「既死又活」的薛丁格猫
传统计算机的信息位（bit）是0或1，意味信息仅限于0或1；量子位是量子计算的基石，可以表示一个0、一个1，或者0和1组合的迭加，令量子计算机可并行处理多条信息。用传统计算机的算法找一个数字的质因子，所需时间与数字长度呈几何级数增长，量子计算机算法仅呈三次方增长，远快于传统计算机。
要理解量子迭加，就不得不提及物理学家薛丁格，他假设有只猫被关在一个密闭盒子，内有一瓶装着剧毒气体的玻璃瓶，一旦释放出毒气，猫会死亡。要知道猫是死是活，我们必须打开盒子，若不打开盒子，我们只能推断猫或生或死，即盒内有只「既死又活」的猫。
现实生活不会出现这样的「幽灵猫」，但量子位可以同时具有两个状态（迭加态），打破迭加态的方法是测量。例如，我们打开盒子后便知道了猫的生死，因为结果是确定的，猫非死即活，迭加态便不复存在。刘教授说：「量子一旦遭受环境干扰就会发生『退相干』（decoherence），这样不稳定的量子态是实现量子计算机的障碍。」
化弱点为强项
刘教授提出新构思：既然量子位这么脆弱，倒不如设计一个量子系统，观察它如何失去相干性质，便可以得知关于环境的信息。「这个理念兼容coherence和decoherence。这样，我可以把弱点加以善用，成为精密的探测器。不好的事可以是好的。」
要达成「光子多体态」非常困难，因光子没有相互作用。刘教授把相干度高的原子和光子束缚起来，形成纠缠态的『多体激光』。多体物理学不是崭新的理论，但科学家大都研究结构稳定的原子，刘教授是首先提出「量子多体激光」的科学家。
「传统的激光可以拆分，因此它携带的信息容易被截取。多体激光就不一样了，我把一束光分出去，其内部量子态的结构并不同于初始的光，这样万一这束光被人偷偷分了一部分，它结构不同了，我便知道信息被截取了。」此技术可以于量子通讯加密，也可用于量子探测。
顶尖科研的基石
刘教授2005年加入中大物理系。他在美国完成博士后研究，曾在美国、中国内地和香港找工作，「我最想去香港，因为香港有华人的生活环境，又有西方的学术和评价体系，而中大有优秀的科研环境和人才，有独特的科研文化，也让我有空间和资源专注于基础科研和教学。」
他在2023年初获选为首届「新基石研究员」，这个由腾讯公司设立的项目聚焦原创与公益，鼓励科学家自由探索，全国共有58名杰出科学家获选，当中包括三名香港科学家，其中两人来自中大，分别为刘教授及数学系何旭华教授，获得最高人民币2,500万元的五年研究经费。
刘教授说：「放眼世界，很少有如此大笔经费支持一个研究项目，而且用途非常灵活，可以买仪器、聘用员工，又可以参与海外学术会议。我喜欢与顶尖的科学家交流，过程中往往激发新思维。」
他坦言做研究难免有压力，主要来自对解决难题的期望。「我每日都做运动，周末会泡咖啡和看书，天气好的话会远足。遇到困难时放松一下，状态好了自然会有新想法，发现新的可能性。」
关于刘仁保教授
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长，「黄昆奖」和「激光科学与量子光学兰姆奖」得主，香港研资局高级研究员，也是美国光学学会会士及理学院杰出学人，主要学术成果包括中心自旋退相干的量子多体理论、对量子位相干的动力学解耦保护、确立中心自旋相干的零点与李杨零点的等价性、原子尺度核磁共振的量子传感方案，以及发明可在室温下连续工作的金刚石微波激射器等。
文／Jenny Lau
摄／Gloria Ng
