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百年量子物理如何在新世纪继续改变世界?
点击:  作者:薛其坤    来源:量子科学  发布时间:2017-11-12 12:21:30

 

              信息的存储、处理,电子通信、显示,精密测量,全球定位,移动通信,这些信息时代最前沿的关键技术中都涉及量子力学。在前不久举行的2017(20)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:听上去云山雾罩的量子物理,其实一直就在我们身边。

了解量子物理,先从光和电开始

我们用眼睛观察美丽的大自然——这是可见光入射到我们的眼睛里。但是光是什么?我们每天都用计算机、笔记本电脑、手机处理一些电子信号——电子又是什么?有些人很快就会回答:光是一种电磁波,电磁波是周期运动的、波动性的。我们眼睛能识别的光线(可见光),其波长在400~800纳米。而雷达、移动通信、卫星通信,用到的波则是微波或超短波,它们的波长在1毫米~10米左右,比可见光的波长长得多。不同波长的电磁波在我们日常生活中扮演着不同的角色。另一方面,电子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(通常表示为e-)。电子的反粒子是正电子,它有着和电子相同的质量、能量、自旋,以及等量的正电荷(因此正电子的电荷为+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。原子整体对外不显电性,但其中的中子不带电、质子带正电。相对于中子、质子,电子的质量极小——质子的质量大约是电子的1840倍。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。电流的大小是由单位时间内通过导线横截面的电子数目决定的。

以上关于光和电的内容相对比较简单,许多人在学校里都接触过。

量子物理已经有一个世纪的历史

1900~1920年代,物理学界发生了一次重大的革命——建立了量子力学。量子力学、爱因斯坦的广义相对论,以及生命科学中的“DNA双螺旋结构的发现,被称为上个世纪的三大科学发现

 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、狄拉克累计4次获得诺贝尔物理奖,在上个世纪20年代基本上就建立起了量子物理的基础。所以我们现在谈到的量子通信、量子计算,是基于100年前建立的科学,其实不是全新的东西,而是一个非常古老的话题了。

爱因斯坦是一位伟大的物理学家。由于种种原因,他1921年获得诺贝尔物理奖不是因为提出了相对论,而是因为解释了光电效应。光电效应在现代技术中应用非常广泛。太阳能电池的基本原理,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”——即光是一种粒子,全称光量子或光子。

爱因斯坦的伟大之处就是: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(公式中E代表光子的能量,h是普朗克常数,v是光的频率)。在这个公式中,左边的能量是典型的粒子概念,而右边的普朗克常数和波长,则是典型的波的概念,所以这个公式实际上就显示了,粒子和波是等同的——这是一个非常伟大的量子力学发现。它直接告诉我们,一束光的能量不再是连续变化的,因为光的最小单元是一个光子。引入量子化的概念后的光是分离、不再连续的,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。

既然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。那么是不是每个人也都有波粒二象性”?回答是肯定的,宏观物体表现出的粒子行为更多——我们有确定的位置、有确定的质量、有确定的大小、高度。同时,用公式一算你就会知道,人类产生的波长非常短,我们的波动性质几乎无法测量。

由于波动性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,我们就能够理解什么叫量子通信、什么叫量子计算机、什么叫量子物理。

爱因斯坦因解释了光电效应获得1921 年诺贝尔物理学奖,他身旁的普朗克在1918年就获得诺贝尔物理学奖(来源: Buzzfeed.com

信息时代见证了量子力学的发展

量子力学的建立,究竟对我们现代的技术,对我们人类生活产生什么样的作用?其实,大家所熟知的信息技术中的关键技术,都是在量子力学的基础上发展出来的。

信息的处理、存储、显示、传输,包括许多信息的精密测量、与信息相关的精密电子器件、光学器件,都是在量子物理技术上发展起来的。举个例子:没有晶体管就没有今天的互联网、计算机、网络信息时代,而晶体管正是在1947年,由三个物理学家发明,与之相关的量子物理突破获得了1956年诺贝尔物理学奖。此后的激光器则是由苏联、美国科学家基于半导体一级结构,晶体管和激光二极管发明的。

晶体管、集成电路的发明使我们走进了今天的信息时代。如果没有量子力学的发展,这两件事就不会发生,我们也不可能有今天所有看到的信息技术。

信息存储领域中,我们希望在单位存储介质里,保存的信息越多越好。现在的每个U盘都能容纳十几Gb、几十Gb,甚至几百Gb的数据,但仅仅20年前,我们拷一个小小的程序就需要厚厚一摞的磁盘。数据存储领域的技术进步,就是基于电子的量子行为效应的发现——法国、德国的两位科学家在1987年发现了巨磁阻效应,他们因此获得了2007年诺贝尔物理学奖。这个发现是一个纯量子力学的结果,它让信息存储的能力提高了四个量级,使我们的生活更加方便。

还有就是CCD照相机传感器——它能把环境中各种颜色的光子转变成电子,以数字信号的形式存储起来。如今已经没人用胶片摄影,就是因为物理学家发现并掌握了光的量子行为导致的电荷耦合。

上个世纪之前,我们的老祖宗想测量时间,用的是日晷、水钟、沙漏、摆钟。摆钟一年的误差就有一秒。而在199720052012年先后获得诺贝尔物理学奖的8位科学家,最根本的贡献,就是利用量子物理,实现了对时间的精密测量。

他们通过原子的光轴,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。现在的全球定位系统(包括GPS),其实都要靠时间的精确测量,才能实现精确定位——假设一个人移动了1米,但太空中的一颗卫星用光速去测量的话,移动1米产生的时间差是非常小的。如果我们能非常精确地测量这个时间差的话,全球定位系统就可以变得非常精确。而这些原子钟发展的基本原理就是光、就是量子力学。

用上量子力学的还有高温超导。超导是一个最典型的量子现象,它是诺贝尔奖的富矿。核磁共振仪的磁铁,就是用超导线圈做出来的。如果未来地磁场的测量用上超导量子器件进行测量的话,我们对舰船、潜艇的侦测能力都会大大提高。

做一个简单的总结就是:我们当代人用到的技术,最关键的部分都涉及量子力学。

▲ 2007年诺贝尔 物理学奖表彰的巨磁阻效应的成功应用,让硬盘的存储密度获得了指数级增长(来源: Nobelprize.org

中国科学家在量子领域的突出贡献

我自己的团队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1880年代,霍尔先生将一个非磁性的导体通上电流后,再外加了一个磁场——他发现,除了欧姆定律能够解释的电阻现象之外,还有另外一个方向的电流动,这个效应叫霍尔效应

霍尔效应非常有用,我们每个人手上的信用卡磁条的编码,就是利用了磁可以产生电信号、产生霍尔效应的原理。只要通过磁条的磁场产生的电信号,就可以鉴定不同的卡是谁的。

1980年,德国科学家冯·克利青发现了量子霍尔效应。他做的唯一一件事就是把霍尔效应的样品换成了硅材料。他在做测量的时候发现了强磁场下,量子化的霍尔效应——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。2年以后,美国贝尔实验室的几个物理学家又把样品从硅换成了砷化镓——砷化镓是发光的半导体材料,他们因此发现了分子化的量子霍尔效应

1987年,冯·克利青因为在硅材料中的整数量子霍尔效应发现获得了诺贝尔物理学奖。1998年,后面的那三位物理学家也因分数量子霍尔效应的发现,让该领域再次产生诺贝尔物理学奖。

所以量子霍尔效应是什么?电子器件中饱含了很多的电子,电子和人一样,在一片开阔场地里的时候是乱走的——从正极到负极,它不知道应该走哪条路——但乱走就会产生热,因此我们的电脑、手机等就会发热。但是在量子霍尔效应下,电子就和高速公路的汽车一样直着往前走——每一个电子都有一个车道,它不会去其他的车道。2016年诺贝尔物理学奖表彰的量子霍尔效应,实际上就是定义了电子的高速公路

如今的笔记本电脑使用的电能中,将近1/4都是发热损耗,如果这些电省下来,将是非常可观的数字。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(相比之下,地磁场的强度只有0.5高斯)。按照现在的技术条件,很难把量子霍尔效应用于生活中。我带领的团队在2013年发现的量子反常霍尔效应,就能在不外加磁场的时候实现电子高速公路

各种霍尔效应及它们的发现时间(来源 :《科学》)

量子力学将颠覆现有技术

大家可以看出来,一个多世纪前的一个不经意的科学发现,催生了今天的信息时代。

2030年、2050年的时候,我们将使用什么样的信息技术?我们准备好下一次工业革命了吗?实际上,一次革命的到来,需要科学的突破、需要技术原理的突破,而不只是优化、改进、集成、创新。量子信息领域的各种技术有的实现了技术的突破,有的目前还在等待新的突破。

除了大家熟悉的量子通信和量子计算,各种各样可以精密测量量子水平上微弱信号的灵敏器件,这些技术和器件都在等待我们挖掘。我国这些年对技术的研究、对科学创新的支持越来越强。我想,像量子反常霍尔效应这样的发现会不断出现。科技强国的梦想,也会离我们越来越近。

本文根据薛其坤院士演讲整理,内容已经薛其坤本人审核,有删节。

责任编辑:向太阳
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