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?lèi)生活產(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(lái)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(lái)的。舉個(gè)例子：沒(méi)有晶體管就沒(méi)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(méi)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(pán)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(pán)。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(lái)。如今已經(jīng)沒(méi)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(guò)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(wàn)年誤差只有一秒，甚至是上億年誤差只有一秒?，F(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(huà)，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(huà)，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(xiàn)圈做出來(lái)的。如果未來(lái)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(huà)，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(pán)的存儲(chǔ)密度獲得了指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)（來(lái)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?；魻栃?yīng)”的發(fā)現(xiàn)。

霍爾效應(yīng)和反?；魻栃?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(guò)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(shuí)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)。