文字整理/李乃麟 图文编辑/李乃麟 新媒体编辑/聂淑芳 “信息的存储，信息的处理，通讯、显示，包括精密测量，全球定位，移动通信，这些关键的技术都涉及到了量子力学。所以大家要谈起量子信息科学与技术的话，可以说我们现在用到关键技术最关键的部分都涉及到了量子力学。” 在前不久举行的2017年（第20届）北京科技交流学术月院士专家报告会上，中国科学院院士薛其坤用一场精彩的演讲，让我们真切地感受到，听上去让人云里雾里的量子物理，其实一直就在我们身边。 ▲薛其坤，中国科学院院士、清华大学副校长、北京市科协副主席 大家好。借助这次难得的机会，我希望通过这个报告让大家了解一下，理解未来我们碰到的新鲜的名词和新鲜的技术。我也简单讲一下科学技术的现状，以及未来量子科学的技术。了解了量子物理、量子信息、量子计算机之后就会知道，到底我们在做些什么事，以及涉及到的空间、尺度，时间的长短，能量的大小就有一个基本的理解。 了解量子物理，先从光和电开始在座有很多的科技工作者，我先来提一个问题：光是什么？我们每天用眼睛看到我们美丽的大自然，这是高中讲的可见光，入射到我们眼睛。但是光是什么？再问一个，大家知道电，我们每天都用电子计算机，用笔记本电脑，用手机，处理一些电子的信号，电子又是什么？ 很快你就会回答，光是波，是一种电磁波，电磁波是周期运动的、波动性的，它的波长对可见光来讲，我们眼睛能识别光纤的波长在400纳米-800纳米，更精确的39纳米-78纳米之间，所以是一个波长非常短的这么一种电磁波。我们现在的通讯、雷达、移动通讯、数字和卫星通讯，用到的这种波是微波，或超短波，它的波长都在1毫米-10米左右，要比刚才我们讲的可见光光波的波长长得多。但是不同波长的电磁波，在我们日常生活中，在我们的现在技术中扮演着不同的角色。 说到电子，马上你也可以回答，它是带负电的亚原子粒子。电子所带电荷为e=1.6×10⁻¹⁹C（库仑），质量为9.11×10⁻³¹kg（0.51MeV/c²），能量为5.11×10⁵eV，通常被表示为e⁻。电子的反粒子是正电子，它带有与电子相同的质量，能量，自旋和等量的正电荷（正电子的电荷为+1，负电子的电荷为-1）。 物质的基本构成单位——原子是由电子、中子和质子三者共同组成。中子不带电，质子带正电，原子对外不显电性。相对于中子和质子组成的原子核，电子的质量极小。质子的质量大约是电子的1840倍。 当电子脱离原子核束缚在其它原子中自由移动时，其产生的净流动现象称为电流。我们平常谈电流，触电了，电流的大小是由单位时间内通过导线面积的电子数目来决定的。讲到现在，大家认为比较简单。 每个人都有“波”的特性，只不过你察觉不到那么上个世纪，从1900年开始到20年代左右，在物理学上发生了一次重大的革命，建立了量子力学。量子力学和爱因斯坦的广义相对论，以及我们生命科学中DNA双螺旋结构的发现被称为上一个世纪的三大科学发现。 ▲从左至右：普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克 量子力学这个名词出现在100多年以前，建立量子力学的五位物理学家——普朗克、玻尔、海森堡、薛定谔、狄拉克四次获得了诺贝尔物理奖。所以量子力学的建立由四个诺贝尔物理奖支撑，在上个世纪20年代基本上就被建立起来了。所以我们现在谈到的量子通讯、量子计算是基于100年前建立的科学，不是一个完全新的东西，一个非常古老的话题了。 爱因斯坦是一个大的物理学家，不是因为提出了相对论获得了诺贝尔物理奖。他1921年获得诺贝尔物理奖是因为解释了光电效应，这在我们的生活，和现在的技术中应用非常广泛。我们的太阳能电池就是把光转化成电。爱因斯坦在解释光电效应的时候首次提出了一个量子的概念，提出了光的粒子学说。 也许你会问，刚才已经吆喝了半天光是电磁波，有确定的波长，怎么现在又变成粒子了？因为如果没有粒子概念就无法解释我们太阳能电池是怎么工作的，我们的光电效应是怎么回事，所以光是一种粒子，全称叫光量子，简称光子。 现在大家在读报纸，读科学文献的时候经常提到光的概念，光的概念就是量子力学的概念，就是说光不能说不是电磁波，但它也确实有粒子的特性，光的每一个最小的单元就叫一个光子，所以我们平常看到的光，一个实线打下来，是由无穷多的光子组成的这么一个东西。 爱因斯坦伟大的地方就是，他提出光束是由一个个光子组成的，每一个光子的能量，E=hv,h是普朗克常数,v是光的频率，或者反比例波长。在这个公式中，左边E代表能量，这是典型的粒子概念，而右边的普朗克是常数和波长，则是典型的波的概念，所以这个公式实际上就是叫你理解经典物理学和量子物理学之间的关系，理解粒子和波是等同的。 这个公式建立了一个离子和波之间的关系，这是一个非常伟大的量子力学的发现。也就是说，它直接告诉我们光的能量，一个光束的能量不再是连续变化的，为什么？它的最小单元是一个光子，它这个光的强度，光速的能量是光子数乘上每个光子的能量。 量子化的意思就是说，它是分离的，不再连续，这个概念所描述的物理量是具有分力的，而研究这种不连续变化的科学就叫量子力学，就叫量子物理。 到现在为止，我花了很长的时间告诉大家，微观粒子都具有“波粒二象性”——既有波的特性，也有粒子的特性。那我们自然会想到，是不是我们每个人也都有“波粒二象性”？回答是肯定的，咱们每个人都有“波”的属性。 今天在座的各位都是粒子的行为多，有确定的位置、有确定的质量、有确定的大小、高度，但是我们人类能量，我的体积，我运动时候的能量，再用公式一算你就知道，我们人产生波的波长非常短，所以平常看不到我们的波动性质。这个性质只在微观世界中才会有明显的表现，而量子力学，或者叫量子物理，就是研究物质世界中微观粒子运动规律的工具。有了这个概念，可以帮助你理解什么叫量子通讯，什么叫量子计算机，什么叫量子物理。 你也许不懂量子，但你一直在用那么量子力学的建立究竟对我们现代的技术，我们人类生活产生什么样的作用？那就看我们大家熟知的信息技术的关键技术，实际上都是在刚才我谈到的这个概念上，量子力学的基础上发展出来的。 信息的处理、存储、显示、传输，包括很多信息的精密测量，包括和信息相关的精密器件，电子器件、光学器件，都是在刚才我谈到的量子物理技术发展起来的。比如说晶体管大家都知道，晶体管太重要了，没有晶体管就没有今天的互联网、计算机、网络信息时代。晶体管是1947年由三个物理学家发明，他们获得了1956年的诺贝尔物理奖。那么晶体管发现的物理技术就是我刚才谈到的和量子相关的一些理论。 ▲晶体管的发明者：肖克莱、巴丁、布拉顿 大家知道激光器，这是由俄国科学家和美国科学家基于量子力学的半导体一级结构，晶体管和激光二极管发明的。这些晶体管的发明，集成电路的发明使我们走进了今天的信息时代。所以如果没有量子力学的发展，这两件事不会发生，我们也不可能有今天所有看到的信息技术。 ▲法国科学家阿尔贝·费尔和德国科学家彼得·格林贝格尔因为先后独立发现了“基于电子的量子行为”——巨磁阻效应，而获得2007年诺贝尔物理学奖 信息的存储我们希望是在单位存储介质里，存储的信息越多越好。我现在一个U盘都能十几个G、几十个G，甚至几百个G的容量，但大家知道20年前我们拷一个小小的程序就需要厚厚一摞的软盘，磁盘，这种进步就是基于电子的量子行为效应的发现。 法国科学家、德国科学家在1987年就发现了这一效应，他们获得了2007年诺贝尔物理奖。这个发现是一个纯量子力学的结果，结果导致了现在信息存储的能力提高了四个量级，使我们的生活更加方便。 ▲CCD照相机成像原理 另一个就是CCD照相机，我前面讲得很清楚了，就是把光子转成电子。CCD照相机就是把外面我要拍的照片各种颜色的光子变成电子，存储起来，做一个处理，这是我们CCD照相机，是典型的光的离子信息集中的反应。有了CCD照相机，结果我们以前用的胶片都不用了，各种各样的手机大家可以马上把照片记下来，就发给朋友了，就是因为我们发现并掌握了光的量子行为导致的电荷耦合。 ▲天宫二号上搭载的我国自行研制的空间冷原子钟的精度已经达到3000万年才误差1秒 我再讲一个精密测量，以前我们测量时间，最早我们的老祖宗用的是日晷，水钟，沙漏，摆钟，摆钟一年的误差就是一秒。到了上世纪七八十年代，一百年误差一秒。结果在1997年，2005年，2012年，先后有八个科学家获得诺贝尔物理奖，他们最根本的、共同的贡献、突破就是对时间的测量。 他们用原子的光轴，使我们对时间的测量可以达到几千万年误差只有一秒，甚至是上亿年误差只有一秒。如果我们做到几亿年，或50亿年，50亿年就是地球到现在的寿命，地球寿命就是50亿年，那么误差只有一秒的话，这个问题是不得了的问题。 现在全球定位系统靠时间的测量精确定位，我一个人移动一米的时候，对太空中的一颗卫星来说，用光去测量的话，移动一米产生的时间差是非常小的。如果我们能非常精确测量这个时间差的话，那么全球定位系统就可以变得非常精确，这就是现在基础研究导致的科学发展。而这些冷原子钟发展的基本原理就是光，就是量子力学。
大家还知道高温超导，通俗来说就是就是一个导线在某一特定温度范围内电阻等于0。超导是一个最典型的量子现象，它是诺贝尔奖的富矿。我们做核磁共振做的磁铁就是用超导线圈做出来的。如果我们将来地磁场的测量用超导量子器件可以做得更精确的话，我们对舰船，对潜艇的侦测能力都会大大提高，这都是量子力学发展的结果。 做一个简单的总结就是，我刚才提到了信息的存储，信息的处理，通讯、显示，包括精密测量，全球定位，移动通信，这些关键的技术都涉及到了量子力学。所以大家要谈起量子信息科学与技术的话，可以说我们现在用到关键技术最关键的部分都涉及到了量子力学。 量子领域最重要的发现，是中国科学家做到的我在这里讲一个我自己在量子物理领域做的一个工作就是，量子反常霍尔效应的发现。 霍尔效应和反常霍尔效应发现于19世纪80年代，就是1880年左右。霍尔先生拿一个非磁性的导体通上电流以后，同时再外加一个磁场，他就发现，除了欧姆定律，电流流动有电阻这个现象之外，还会产生另外一个方向的电动的流动，这个效应叫霍尔效应。 霍尔效应是在一个非磁性的导体中，再外加一个磁场以后所产生的效应。一年以后，霍尔先生又把样品换成一个磁性的导体，他想象既然外加磁场能产生霍尔效应，如果我把非磁性的导体变成一个有磁性的导体，磁性导体本身的磁场能不能产生霍尔效应，果然他也测到了这种效应。但是这个效应的原理和这个效应的显著性非常大，他不理解，他命名一个名字叫反常霍尔效应。
▲霍尔效应的发现者——爱德温·霍尔 霍尔效应非常有用，大家都用信用卡，每个人的信用卡词条的编码不一样，但是怎么读出磁条的磁信号。因为磁可以产生电信号，产生霍尔效应。我有一个刷卡机的话，我刷着卡，我的磁条产生的磁场就可以产生电信号，每个人磁的编码不一样，包括做一个电子器件，不同的编码电信号读出来，就可以鉴定这个卡是谁的。
▲德国科学家冯·克利青发现了量子霍尔效应 在1980年的时候，过了一百年以后，德国的科学家冯·克利青先生发现了量子霍尔效应。他做的唯一一件事情就是把刚才我讲的一般的样品，换成了我们现在信息技术用的硅的材料。硅的材料有一个长效的晶体管，他在做测量的时候发现了强磁场下的量子化的霍尔效应，就是它的霍尔电子不再是连续变化了，而是等于一个物理学常数乘上一个正整数，这就是量子化的霍尔效应。这是在硅的材料发现的。 结果过了两年以后，美国贝尔实验室的几个物理学家把样品硅换成砷化镓，砷化镓是发光的半导体材料，硅是不发光，是用来做节能电流用的。换成发光的砷化镓这个材料以后他发现了分子化的量子霍尔效应，就是霍尔效应的大小等于一个分数乘上一个常数。过了五年以后，冯·克利青因为在硅材料中的正数量子霍尔效应发现，获得了诺贝尔物理学奖。1998年这三位物理学家因为分数量子霍尔效应的发现，再次获得诺贝尔物理奖。 为什么会出现量子霍尔效应，就是因为量子霍尔效应电子不像我们想象的电子器件饱含了很多的电子，电子就和人一样，在一片开阔的场地走的时候是乱走的，从正极到负极，它不知道应该走哪条路。因为电子非常小，在晶体管中它不知道怎么到达目的地，所以它就乱走。乱走就产生热，我们的手机打开会发热。
但是在量子霍尔效应的加持下，电子很规律，就和高速公路的汽车一样，它直着往前走，不能掉头，掉头就到马路的对过去了，掉头得罚款，它只能一往直前。而且每一个电子都有一个“车道”，它不会去乱道。这个就是去年几个诺贝尔物理奖提出的量子霍尔效应，实际上就是定义了电子的“高速公路”。 如果我们的笔记本电脑，如果我们的超级计算机，如果我们的手机都用上这种器件的话，就不会发热，不会无谓的消耗能量。你知道现在我们的笔记本电脑使用的电将近1/4都是发热损耗的，如果这些电省下来，那是一个非常可观的数字。 但是量子霍尔效应需要外加高强度的磁场，强度要达到十万高斯，这个磁场有多强？简单来说，我们的地球能够产生的磁场强度也只有0.5高斯。所以要制造如此强大的磁场，按照现在的技术条件，需要一个比人高的，非常昂贵的仪器，至少要花300万人民币，所以很难把量子霍尔效应用上。那么你自然就会问，你刚才不是介绍了如何把非磁性导体换成一个磁性导体，不需要外加磁场也能产生霍尔效应，叫反常霍尔效应吗？是。那么能不能实现量子版本的反常霍尔效应，就是不需要外加磁场也能实现电子的高速公路？这就是我带领的团队在2013年发现的量子反常霍尔效应。 这也是咱们中国物理学，随着我们国家的进步，我们经济的发展，我们科学家有了这么好的条件，才有了这样的发现。所以去年诺贝尔物理奖宣布的时候，每个奖瑞典的皇家科学院要做一个详细地介绍，详细介绍中就把我们的工作做了一个介绍，中国重要的科研成果，第一次放在这么重要的位置。
▲薛其坤带领的团队在2013年首次发现量子反常霍尔效应 未来30年，量子力学将颠覆现有技术前面给大家讲了很多，不知道大家听懂了没有，我讲了量子基本概念，讲了现在信息技术核心是见证了量子力学的发展，所以量子物理学的发展在第三次工业革命中起了非常关键的作用，但还有其他的化学，还有其他的电磁。但是在科学原理上，量子物理学奠定了信息技术的基础。 你自然就会问，未来我们过了五年以后，十年以后，到2030年的时候，2050年的时候，我们将使用什么样的信息技术。我从一个做物理的人谈起，硅、砷化镓、石墨烯，新的量子材料的出现可能会彻底改变我们现在，可能给我们带来一种全新的一种信息处理、存储，甚至传输、显示的技术。
▲未来三年中国量子通信干线规划示意图 刚才谈了很多量子信息科学技术，现在谈到了量子计算、量子通信。再一个就是基于已有的科学技术，但是如果我们再继续研究，还会发现新的量子力学的原理，量子力学的原理发现可能会彻底改变我们现在有些信息技术。所以说科学的发展，基础研究的进行和我们未来的技术，我们未来的生活，社会的发展和进步都有密切的关系。 大家经常会问我们做基础研究的科学家有什么用？我知道有用，但是可能很短的时间内很难有所体现。但是大家可以看到，当年一个不经意的科学发现会导致今天的信息时代。 所以说我们国家的发展，我们国家的科学和技术都要发展，如果我们想变成世界的强国，我们不可能老在原地踏步或者一味立足于技术上追赶别人。如果是追赶别人的话，你是做不到领头的，所以要原创的科学发展是我们变成科技强国的基础。但是我们有很多关键的技术，比如说飞机发动机和重型燃气轮机，我们和国外的差别，还有相当的距离。但是真要变成独立的科技强国，我们源头的创新也是非常重要的。 比如说大家看到的太阳能清洁能源，我们现在用的太阳能电池，用的硅，硅吸收太阳光中的1127纳米的远红外我们是看不见的光。但是太阳光经过大气入射到我们地球上的可见光占的比例很大，而对于这一大部分可见光波段，我们目前没有非常便宜的，非常有效的太阳能电池。如果我们在可见光波段找到非常便宜的材料，能够高效的进行太阳能转化，那么大家可以想像，这会是一个多大的进步。 这个是科学的原创的发现，全新的量子科学的发现，否则只能像现在的太阳能产业，只能在硅上做一点小动作，做一点优化，做一点改进。所以这些东西的发展需要全新的基础研究，需要全新的量子力学的发展。 最后我做一个提问，就是我们准备好下一次工业革命了吗？实际上一个革命的到来需要科学的突破，需要技术原理的突破，否则其他的优化、改进、集成、创新。所以量子信息技术有的已经有了科学技术，技术的突破，有的还在等待新的突破。 除了大家熟悉的量子通讯和量子计算，更多的是各种各样的可以测量精密的，量子水平上的微弱信号，灵敏器件，这些技术和器件等待我们挖掘。所以大家知道，我们中国的经济在党和国家的正确领导下，在大家的共同努力下，我们的经济已经在全球总量第二。我们国家这些年对技术的研究，对科学创新的支持是越来越强。我想像量子反常霍尔效应，像量子这样的发现会不断出现。 如果我们每年都有若干个中国的科学发现，特别是在量子力学、量子物理里的发现，大家想一下，我们会主导未来很多最尖端的技术。那么我们科技强国的建设，也就会变得离我们越来越近。让我们团结起来，共同传播科学文化，烘托科学创新的气氛，像全国人民永远处在一个科学的春天一样积极做创新，做科学研究，做技术发展，服务我们的国家，同时服务人类的进步。我的报告就到这，谢谢大家。 注：本文根据薛其坤院士在9月15日举行的2017年北京科技交流月院士专家报告会上所作演讲整理，内容已经薛其坤本人审核 |
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