“信息的存儲(chǔ)、處理，電子通信、顯示，精密測(cè)量，全球定位，移動(dòng)通信，這些信息時(shí)代最前沿的關(guān)鍵技術(shù)中都涉及量子力學(xué)。”在前不久舉行的2017年(第20屆)北京科技交流學(xué)術(shù)月院士專家報(bào)告會(huì)上，中國(guó)科學(xué)院院士薛其坤用一場(chǎng)精彩的演講，讓我們真切地感受到：聽上去云山霧罩的量子物理，其實(shí)一直就在我們身邊。

了解量子物理，先從光和電開始

我們用眼睛觀察美麗的大自然——這是可見光入射到我們的眼睛里。但是光是什么?我們每天都用計(jì)算機(jī)、筆記本電腦、手機(jī)處理一些電子信號(hào)——電子又是什么?有些人很快就會(huì)回答：光是一種電磁波，電磁波是周期運(yùn)動(dòng)的、波動(dòng)性的。我們眼睛能識(shí)別的光線(可見光)，其波長(zhǎng)在400~800納米。而雷達(dá)、移動(dòng)通信、衛(wèi)星通信，用到的波則是微波或超短波，它們的波長(zhǎng)在1毫米~10米左右，比可見光的波長(zhǎng)長(zhǎng)得多。不同波長(zhǎng)的電磁波在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜煌慕巧Ａ硪环矫?，電子是帶?fù)電的亞原子粒子。電子所帶電荷為e=1.6×10-19C(庫侖)，質(zhì)量為9.11×10-31kg(即0.51MeV/C2)，能量為5.11×105eV(通常表示為e-)。電子的反粒子是“正電子”，它有著和電子相同的質(zhì)量、能量、自旋，以及等量的正電荷(因此正電子的電荷為+1)。

物質(zhì)的基本構(gòu)成單位“原子”，是由電子、中子和質(zhì)子三者共同組成。原子整體對(duì)外不顯電性，但其中的中子不帶電、質(zhì)子帶正電。相對(duì)于中子、質(zhì)子，電子的質(zhì)量極小——質(zhì)子的質(zhì)量大約是電子的1840倍。電子脫離原子核束縛在其它原子中自由移動(dòng)時(shí)，其產(chǎn)生的凈流動(dòng)現(xiàn)象稱為“電流”。電流的大小是由單位時(shí)間內(nèi)通過導(dǎo)線橫截面的電子數(shù)目決定的。

以上關(guān)于光和電的內(nèi)容相對(duì)比較簡(jiǎn)單，許多人在學(xué)校里都接觸過。

量子物理已經(jīng)有一個(gè)世紀(jì)的歷史

1900~1920年代，物理學(xué)界發(fā)生了一次重大的革命——建立了量子力學(xué)。量子力學(xué)、愛因斯坦的廣義相對(duì)論，以及生命科學(xué)中的“DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)”的發(fā)現(xiàn)，被稱為上個(gè)世紀(jì)的“三大科學(xué)發(fā)現(xiàn)”。

“量子力學(xué)”這個(gè)名詞出現(xiàn)在100多年以前。建立量子力學(xué)的五位物理學(xué)家——普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克累計(jì)4次獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)，在上個(gè)世紀(jì)20年代基本上就建立起了量子物理的基礎(chǔ)。所以我們現(xiàn)在談到的量子通信、量子計(jì)算，是基于100年前建立的科學(xué)，其實(shí)不是全新的東西，而是一個(gè)非常古老的話題了。

愛因斯坦是一位偉大的物理學(xué)家。由于種種原因，他1921年獲得諾貝爾物理獎(jiǎng)不是因?yàn)樘岢隽讼鄬?duì)論，而是因?yàn)?ldquo;解釋了光電效應(yīng)”。光電效應(yīng)在現(xiàn)代技術(shù)中應(yīng)用非常廣泛。太陽能電池的基本原理，就是把光轉(zhuǎn)化成電。愛因斯坦在解釋光電效應(yīng)的時(shí)候，首次提出了一個(gè)量子的概念，提出了“光的粒子學(xué)說”——即光是一種粒子，全稱光量子或光子。

愛因斯坦的偉大之處就是：他提出光束是由一個(gè)個(gè)“光子”組成的，每一個(gè)光子的能量E=hv(公式中E代表光子的能量，h是普朗克常數(shù),v是光的頻率)。在這個(gè)公式中，左邊的能量是典型的粒子概念，而右邊的普朗克常數(shù)和波長(zhǎng)，則是典型的波的概念，所以這個(gè)公式實(shí)際上就顯示了，粒子和波是等同的——這是一個(gè)非常偉大的量子力學(xué)發(fā)現(xiàn)。它直接告訴我們，一束光的能量不再是連續(xù)變化的，因?yàn)楣獾淖钚卧且粋€(gè)光子。引入“量子化”的概念后的光是分離、不再連續(xù)的，而研究這種不連續(xù)變化的科學(xué)就叫量子力學(xué)、就叫量子物理。

既然微觀粒子都具有“波粒二象性”——既有波的特性，也有粒子的特性。那么是不是每個(gè)人也都有“波粒二象性”?回答是肯定的，宏觀物體表現(xiàn)出的粒子行為更多——我們有確定的位置、有確定的質(zhì)量、有確定的大小、高度。同時(shí)，用公式一算你就會(huì)知道，人類產(chǎn)生的“波”

波長(zhǎng)非常短，我們的波動(dòng)性質(zhì)幾乎無法測(cè)量。

由于波動(dòng)性只在微觀世界中才會(huì)有明顯的表現(xiàn)，而量子力學(xué)(或者叫量子物理)，就是研究物質(zhì)世界中微觀粒子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的工具。有了這個(gè)概念，我們就能夠理解什么叫量子通信、什么叫量子計(jì)算機(jī)、什么叫量子物理。

▲ 愛因斯坦因解釋了“光電效應(yīng)”獲得1921 年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)，他身旁的普朗克在1918年就獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)（來源： Buz***eed.com）

信息時(shí)代見證了量子力學(xué)的發(fā)展

量子力學(xué)的建立，究竟對(duì)我們現(xiàn)代的技術(shù)，對(duì)我們?nèi)祟惿町a(chǎn)生什么樣的作用?其實(shí)，大家所熟知的信息技術(shù)中的關(guān)鍵技術(shù)，都是在量子力學(xué)的基礎(chǔ)上發(fā)展出來的。

信息的處理、存儲(chǔ)、顯示、傳輸，包括許多信息的精密測(cè)量、與信息相關(guān)的精密電子器件、光學(xué)器件，都是在量子物理技術(shù)上發(fā)展起來的。舉個(gè)例子：沒有晶體管就沒有今天的互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)信息時(shí)代，而晶體管正是在1947年，由三個(gè)物理學(xué)家發(fā)明，與之相關(guān)的量子物理突破獲得了1956年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。此后的激光器則是由蘇聯(lián)、美國(guó)科學(xué)家基于半導(dǎo)體一級(jí)結(jié)構(gòu)，晶體管和激光二極管發(fā)明的。

晶體管、集成電路的發(fā)明使我們走進(jìn)了今天的信息時(shí)代。如果沒有量子力學(xué)的發(fā)展，這兩件事就不會(huì)發(fā)生，我們也不可能有今天所有看到的信息技術(shù)。

信息存儲(chǔ)領(lǐng)域中，我們希望在單位存儲(chǔ)介質(zhì)里，保存的信息越多越好?，F(xiàn)在的每個(gè)U盤都能容納十幾Gb、幾十Gb，甚至幾百Gb的數(shù)據(jù)，但僅僅20年前，我們拷一個(gè)小小的程序就需要厚厚一摞的磁盤。數(shù)據(jù)存儲(chǔ)領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，就是基于電子的量子行為效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)——法國(guó)、德國(guó)的兩位科學(xué)家在1987年發(fā)現(xiàn)了“巨磁阻”效應(yīng)，他們因此獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。這個(gè)發(fā)現(xiàn)是一個(gè)純量子力學(xué)的結(jié)果，它讓信息存儲(chǔ)的能力提高了四個(gè)量級(jí)，使我們的生活更加方便。

還有就是CCD照相機(jī)傳感器——它能把環(huán)境中各種顏色的光子轉(zhuǎn)變成電子，以數(shù)字信號(hào)的形式存儲(chǔ)起來。如今已經(jīng)沒人用膠片攝影，就是因?yàn)槲锢韺W(xué)家發(fā)現(xiàn)并掌握了光的量子行為導(dǎo)致的電荷耦合。

上個(gè)世紀(jì)之前，我們的老祖宗想測(cè)量時(shí)間，用的是日晷、水鐘、沙漏、擺鐘。擺鐘一年的誤差就有一秒。而在1997、2005、2012年先后獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的8位科學(xué)家，最根本的貢獻(xiàn)，就是利用量子物理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)時(shí)間的精密測(cè)量。

他們通過原子的光軸，使我們對(duì)時(shí)間的測(cè)量可以達(dá)到幾千萬年誤差只有一秒，甚至是上億年誤差只有一秒。現(xiàn)在的全球定位系統(tǒng)(包括GPS等)，其實(shí)都要靠時(shí)間的精確測(cè)量，才能實(shí)現(xiàn)精確定位——假設(shè)一個(gè)人移動(dòng)了1米，但太空中的一顆衛(wèi)星用光速去測(cè)量的話，移動(dòng)1米產(chǎn)生的時(shí)間差是非常小的。如果我們能非常精確地測(cè)量這個(gè)時(shí)間差的話，全球定位系統(tǒng)就可以變得非常精確。而這些原子鐘發(fā)展的基本原理就是光、就是量子力學(xué)。

用上量子力學(xué)的還有高溫超導(dǎo)。超導(dǎo)是一個(gè)最典型的量子現(xiàn)象，它是諾貝爾獎(jiǎng)的富礦。核磁共振儀的磁鐵，就是用超導(dǎo)線圈做出來的。如果未來地磁場(chǎng)的測(cè)量用上超導(dǎo)量子器件進(jìn)行測(cè)量的話，我們對(duì)艦船、潛艇的偵測(cè)能力都會(huì)大大提高。

做一個(gè)簡(jiǎn)單的總結(jié)就是：我們當(dāng)代人用到的技術(shù)，最關(guān)鍵的部分都涉及量子力學(xué)。

▲ 2007年諾貝爾 物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的“巨磁阻效應(yīng)”的成功應(yīng)用，讓硬盤的存儲(chǔ)密度獲得了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（來源： Nobelprize.org）

中國(guó)科學(xué)家在量子領(lǐng)域的突出貢獻(xiàn)

我自己的團(tuán)隊(duì)在量子物理領(lǐng)域做的一個(gè)工作就是“量子反常霍爾效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)。

霍爾效應(yīng)和反常霍爾效應(yīng)發(fā)現(xiàn)于1880年代，霍爾先生將一個(gè)非磁性的導(dǎo)體通上電流后，再外加了一個(gè)磁場(chǎng)——他發(fā)現(xiàn)，除了歐姆定律能夠解釋的電阻現(xiàn)象之外，還有另外一個(gè)方向的電流動(dòng)，這個(gè)效應(yīng)叫“霍爾效應(yīng)”。

霍爾效應(yīng)非常有用，我們每個(gè)人手上的信用卡磁條的編碼，就是利用了磁可以產(chǎn)生電信號(hào)、產(chǎn)生霍爾效應(yīng)的原理。只要通過磁條的磁場(chǎng)產(chǎn)生的電信號(hào)，就可以鑒定不同的卡是誰的。

1980年，德國(guó)科學(xué)家馮·克利青發(fā)現(xiàn)了“量子霍爾效應(yīng)”。他做的唯一一件事就是把霍爾效應(yīng)的樣品換成了硅材料。他在做測(cè)量的時(shí)候發(fā)現(xiàn)了強(qiáng)磁場(chǎng)下，量子化的霍爾效應(yīng)——霍爾電子不再是連續(xù)變化了，而是等于一個(gè)物理學(xué)常數(shù)乘上一個(gè)正整數(shù)。2年以后，美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室的幾個(gè)物理學(xué)家又把樣品從硅換成了砷化鎵——砷化鎵是發(fā)光的半導(dǎo)體材料，他們因此發(fā)現(xiàn)了“分子化的量子霍爾效應(yīng)”。

1987年，馮·克利青因?yàn)樵诠璨牧现械?ldquo;整數(shù)量子霍爾效應(yīng)”發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。1998年，后面的那三位物理學(xué)家也因“分?jǐn)?shù)量子霍爾效應(yīng)”的發(fā)現(xiàn)，讓該領(lǐng)域再次產(chǎn)生諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

所以量子霍爾效應(yīng)是什么?電子器件中飽含了很多的電子，電子和人一樣，在一片開闊場(chǎng)地里的時(shí)候是亂走的——從正極到負(fù)極，它不知道應(yīng)該走哪條路——但亂走就會(huì)產(chǎn)生熱，因此我們的電腦、手機(jī)等就會(huì)發(fā)熱。但是在量子霍爾效應(yīng)下，電子就和高速公路的汽車一樣直著往前走——每一個(gè)電子都有一個(gè)“車道”，它不會(huì)去其他的車道。2016年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)表彰的“量子霍爾效應(yīng)”，實(shí)際上就是定義了電子的“高速公路”。

如今的筆記本電腦使用的電能中，將近1/4都是發(fā)熱損耗，如果這些電省下來，將是非?？捎^的數(shù)字。但是，“量子霍爾效應(yīng)”需要外加高強(qiáng)度的磁場(chǎng)，強(qiáng)度要達(dá)到十萬高斯(相比之下，地磁場(chǎng)的強(qiáng)度只有0.5高斯)。按照現(xiàn)在的技術(shù)條件，很難把量子霍爾效應(yīng)用于生活中。我?guī)ьI(lǐng)的團(tuán)隊(duì)在2013年發(fā)現(xiàn)的“量子反?；魻栃?yīng)”，就能在不外加磁場(chǎng)的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)“電子高速公路”。

▲各種霍爾效應(yīng)及它們的發(fā)現(xiàn)時(shí)間（來源 ：《科學(xué)》）

量子力學(xué)將顛覆現(xiàn)有技術(shù)

大家可以看出來，一個(gè)多世紀(jì)前的一個(gè)不經(jīng)意的科學(xué)發(fā)現(xiàn)，催生了今天的信息時(shí)代。

到2030年、2050年的時(shí)候，我們將使用什么樣的信息技術(shù)?我們準(zhǔn)備好下一次工業(yè)革命了嗎?實(shí)際上，一次“革命”的到來，需要科學(xué)的突破、需要技術(shù)原理的突破，而不只是優(yōu)化、改進(jìn)、集成、創(chuàng)新。量子信息領(lǐng)域的各種技術(shù)有的實(shí)現(xiàn)了技術(shù)的突破，有的目前還在等待新的突破。

除了大家熟悉的量子通信和量子計(jì)算，各種各樣可以精密測(cè)量量子水平上微弱信號(hào)的靈敏器件，這些技術(shù)和器件都在等待我們挖掘。我國(guó)這些年對(duì)技術(shù)的研究、對(duì)科學(xué)創(chuàng)新的支持越來越強(qiáng)。我想，像“量子反常霍爾效應(yīng)”這樣的發(fā)現(xiàn)會(huì)不斷出現(xiàn)。科技強(qiáng)國(guó)的夢(mèng)想，也會(huì)離我們?cè)絹碓浇?/p>