揭秘百年量子物理奥秘:探索引领现代科学的神秘世界!
eefocus 2023-09-20

“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(即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”

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1997、2005、2012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等),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。

到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。


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