“信息的存儲、處理，電子通信、顯示，精密測量，全球定位，移動通信，這些信息時代最前沿的關(guān)鍵技術(shù)中都涉及量子力學。”在前不久舉行的2017年(第20屆)北京科技交流學術(shù)月院士專家報告會上，中國科學院院士薛其坤用一場精彩的演講，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?我們每天都用計算機、筆記本電腦、手機處理一些電子信號——電子又是什么?有些人很快就會回答：光是一種電磁波，電磁波是周期運動的、波動性的。我們眼睛能識別的光線(可見光)，其波長在400~800納米。而雷達、移動通信、衛(wèi)星通信，用到的波則是微波或超短波，它們的波長在1毫米~10米左右，比可見光的波長長得多。不同波長的電磁波在我們?nèi)粘Ｉ钪邪缪葜煌慕巧Ａ硪环矫?，電子是帶負電的亞原子粒子。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。原子整體對外不顯電性，但其中的中子不帶電、質(zhì)子帶正電。相對于中子、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時，其產(chǎn)生的凈流動現(xiàn)象稱為“電流”。電流的大小是由單位時間內(nèi)通過導線橫截面的電子數(shù)目決定的。

以上關(guān)于光和電的內(nèi)容相對比較簡單，許多人在學校里都接觸過。

量子物理已經(jīng)有一個世紀的歷史

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

“量子力學”這個名詞出現(xiàn)在100多年以前。建立量子力學的五位物理學家——普朗克、玻爾、海森堡、薛定諤、狄拉克累計4次獲得諾貝爾物理獎，在上個世紀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、量子計算，是基于100年前建立的科學，其實不是全新的東西，而是一個非常古老的話題了。

愛因斯坦是一位偉大的物理學家。由于種種原因，他1921年獲得諾貝爾物理獎不是因為提出了相對論，而是因為“解釋了光電效應”。光電效應在現(xiàn)代技術(shù)中應用非常廣泛。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的時候，首次提出了一個量子的概念，提出了“光的粒子學說”——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個“光子”組成的，每一個光子的能量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，則是典型的波的概念，所以這個公式實際上就顯示了，粒子和波是等同的——這是一個非常偉大的量子力學發(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，因為光的最小單元是一個光子。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)變化的科學就叫量子力學、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，用公式一算你就會知道，人類產(chǎn)生的“波”

波長非常短，我們的波動性質(zhì)幾乎無法測量。

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

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

信息時代見證了量子力學的發(fā)展

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

信息的處理、存儲、顯示、傳輸，包括許多信息的精密測量、與信息相關(guān)的精密電子器件、光學器件，都是在量子物理技術(shù)上發(fā)展起來的。舉個例子：沒有晶體管就沒有今天的互聯(lián)網(wǎng)、計算機、網(wǎng)絡(luò)信息時代，而晶體管正是在1947年，由三個物理學家發(fā)明，與之相關(guān)的量子物理突破獲得了1956年諾貝爾物理學獎。此后的激光器則是由蘇聯(lián)、美國科學家基于半導體一級結(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)明使我們走進了今天的信息時代。如果沒有量子力學的發(fā)展，這兩件事就不會發(fā)生，我們也不可能有今天所有看到的信息技術(shù)。

信息存儲領(lǐng)域中，我們希望在單位存儲介質(zhì)里，保存的信息越多越好?，F(xiàn)在的每個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，我們拷一個小小的程序就需要厚厚一摞的磁盤。數(shù)據(jù)存儲領(lǐng)域的技術(shù)進步，就是基于電子的量子行為效應的發(fā)現(xiàn)——法國、德國的兩位科學家在1987年發(fā)現(xiàn)了“巨磁阻”效應，他們因此獲得了2007年諾貝爾物理學獎。這個發(fā)現(xiàn)是一個純量子力學的結(jié)果，它讓信息存儲的能力提高了四個量級，使我們的生活更加方便。

還有就是CCD照相機傳感器——它能把環(huán)境中各種顏色的光子轉(zhuǎn)變成電子，以數(shù)字信號的形式存儲起來。如今已經(jīng)沒人用膠片攝影，就是因為物理學家發(fā)現(xiàn)并掌握了光的量子行為導致的電荷耦合。

上個世紀之前，我們的老祖宗想測量時間，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獎的8位科學家，最根本的貢獻，就是利用量子物理，實現(xiàn)了對時間的精密測量。

他們通過原子的光軸，使我們對時間的測量可以達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)，其實都要靠時間的精確測量，才能實現(xiàn)精確定位——假設(shè)一個人移動了1米，但太空中的一顆衛(wèi)星用光速去測量的話，移動1米產(chǎn)生的時間差是非常小的。如果我們能非常精確地測量這個時間差的話，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。

用上量子力學的還有高溫超導。超導是一個最典型的量子現(xiàn)象，它是諾貝爾獎的富礦。核磁共振儀的磁鐵，就是用超導線圈做出來的。如果未來地磁場的測量用上超導量子器件進行測量的話，我們對艦船、潛艇的偵測能力都會大大提高。

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

▲ 2007年諾貝爾 物理學獎表彰的“巨磁阻效應”的成功應用，讓硬盤的存儲密度獲得了指數(shù)級增長（來源： Nobelprize.org）

中國科學家在量子領(lǐng)域的突出貢獻

我自己的團隊在量子物理領(lǐng)域做的一個工作就是“量子反?；魻栃?rdquo;的發(fā)現(xiàn)。

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

霍爾效應非常有用，我們每個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、產(chǎn)生霍爾效應的原理。只要通過磁條的磁場產(chǎn)生的電信號，就可以鑒定不同的卡是誰的。

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

1987年，馮·克利青因為在硅材料中的“整數(shù)量子霍爾效應”發(fā)現(xiàn)獲得了諾貝爾物理學獎。1998年，后面的那三位物理學家也因“分數(shù)量子霍爾效應”的發(fā)現(xiàn)，讓該領(lǐng)域再次產(chǎn)生諾貝爾物理學獎。

所以量子霍爾效應是什么?電子器件中飽含了很多的電子，電子和人一樣，在一片開闊場地里的時候是亂走的——從正極到負極，它不知道應該走哪條路——但亂走就會產(chǎn)生熱，因此我們的電腦、手機等就會發(fā)熱。但是在量子霍爾效應下，電子就和高速公路的汽車一樣直著往前走——每一個電子都有一個“車道”，它不會去其他的車道。2016年諾貝爾物理學獎表彰的“量子霍爾效應”，實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”需要外加高強度的磁場，強度要達到十萬高斯(相比之下，地磁場的強度只有0.5高斯)。按照現(xiàn)在的技術(shù)條件，很難把量子霍爾效應用于生活中。我?guī)ьI(lǐng)的團隊在2013年發(fā)現(xiàn)的“量子反?；魻栃?rdquo;，就能在不外加磁場的時候?qū)崿F(xiàn)“電子高速公路”。

▲各種霍爾效應及它們的發(fā)現(xiàn)時間（來源 ：《科學》）

量子力學將顛覆現(xiàn)有技術(shù)

大家可以看出來，一個多世紀前的一個不經(jīng)意的科學發(fā)現(xiàn)，催生了今天的信息時代。

到2030年、2050年的時候，我們將使用什么樣的信息技術(shù)?我們準備好下一次工業(yè)革命了嗎?實際上，一次“革命”的到來，需要科學的突破、需要技術(shù)原理的突破，而不只是優(yōu)化、改進、集成、創(chuàng)新。量子信息領(lǐng)域的各種技術(shù)有的實現(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算，各種各樣可以精密測量量子水平上微弱信號的靈敏器件，這些技術(shù)和器件都在等待我們挖掘。我國這些年對技術(shù)的研究、對科學創(chuàng)新的支持越來越強。我想，像“量子反常霍爾效應”這樣的發(fā)現(xiàn)會不斷出現(xiàn)?？萍紡妵膲粝?，也會離我們越來越近。