薛教授首先从量子世界的神秘之处讲起, 他谈到, 1981年扫描隧道显微镜的出现, 让人类多了一双能够观察到微观世界的眼睛, 能够首次在原子层面上观察物质.
薛教授在演讲中谈到了自己获得奖研究的经历, 对于大家问的基础研究有没有用, 他笑称, 拿自己做的量子反常霍尔效应研究来说, 电阻基准在我国很重要, 在我国, 1%的电量计算误差, 就能达到100亿人民币的误差, 而通过量子电阻, 不随时间地点发生变化, 能够把误差缩小非常多.
最后, 薛教授表示, 未来量子技术可以在量子通信, 量子计算, 量子精密测量等领域发挥重要作用. 将对信息安全, 高性能计算, 人工智能, 超高速超低功耗电集成电路, 军事目标探测, 材料模拟等领域产生重大影响, 或许将引起颠覆性技术的革命. (河雨)
以下为演讲全文:
薛其坤:
谢谢大家, 各位领导, 各位嘉宾大家下午好!
首先非常感激未来论坛邀请我在中国改革开放40年之后, 来到中国改革开放的前沿深圳做报告, 我也非常荣幸能得到首届的未来科学大奖, 和卢煜明先生一起分享了企业家, 投资家, 对我们科学家的热爱, 关怀. 我也从刚才话筒的讲话, 看到了企业家, 业界人士对科学满腔热情, 在此我代表全体科学家们, 对我们企业家们, 投资家们, 金融家们表示敬意, 谢谢大家!
我的专业是量子物理, 我是研究关注电子器件中量子行为, 今天我通过这个报告让大家看一看科学巨大的威力, 为什么基础研究, 像刚才话筒期望的那样, 会给人类社会造成这么大的变化和进步, 科学的威力到底在哪里? 我想从一个非常简单的类似于科技的报告向各位观众做一个简单的介绍.
我今天在座每一位都非常熟悉的单位讲起, 长度的单位. 一米大概是一个小学生的高度, 大家都有印象. 一米等于1000毫米, 这个大家都知道. 1毫米等于1000微米, 1微米等于1000纳米, 因此1米就等于1000×1000×1000纳米, 就是10的9次方纳米, 这个可能初中生都很了解. 那么我现在想问的问题是, 我们用什么标准测量1纳米? 我们对米的测量有尺子, 对纳米我们的尺子在哪里?
1纳米非常小, 我们知道碳原子, 碳, 5个碳原子肩并肩排在一起, 长度就是1纳米, 那1纳米, 或者纳米客观技术用什么尺子测量它, 表征它? 等到了纳米世界, 这是科学家必须要回答的问题.
所以如何精确的测量1纳米长度, 你误差多大, 决定了你对纳米科技掌握程度在哪里, 这是一个非常基本的问.
那么到了纳米的时候, 我们所关注的量子效应就会发挥巨大作用. 我是关注电子量的行为, 这是一个普通的电路, 可能化腾在你研发机构每天都会看到, 有一个导线, 有电流经过, 要做测试. 这样一个装置, 大家可以看到, 这是一个电极, 一个导线, 我连起来放上电源, 电池, 如果它两个不接触的时候, 我们小孩可能都知道, 这之间没有电流流动. 这叫电路中的断路.
下面, 我把两个电极之间距离变断, 但是不接触, 短到什么程度? 短到大约1纳米的时候, 你会发现事情发生了变化. 这个时候, 你的电流表上会出现电流了, 但是本身这个装置还在断路状态, 也就是说这个时候点子会从一个电极到达另一个电极, 越过1纳米的空间, 会到达另一个地方去, 形成回路, 形成电流, 这就是纳米世界的特殊的美丽和有意思的地方, 也是我们量子力学上非常有名的量子飞穿, 这是发生在纳米世界的纳米现象.
科学家继续研究这样一个非常简单的装置, 有极其大的威力, 通过测量发现, 当你间隙变化百分之一纳米的时候, 测量电流会变化一个量级, 我们再回忆一下刚才我问的问题, 你发生发现量子飞穿提供了一个精确测量长度的方法, 我变化百分一个纳米就会发生电流变化一个量级, 用电流变化测量百分之一的纳米的变化, 这不就提供了一个非常精确的纳米世界的尺子吗? 简单不简单? 非常简单, 但是涉及到非常深刻的量子物理, 为什么电极会从这个电极像没有障碍一样, 飞渡到另外一个电极? 这是我们研究的非常基本的现象, 叫量子飞穿 (音) .
这样我们现象我们可以用不同的仪器观察世界的眼睛, 比如说这个电极在卫生间, 这个电极在这个房间里, 现在进行扫描, 当我扫到这个地方的时候, 话筒前面这个地方, 如果少了一个原子, 地势低了一点点, 距离变化了, 电流大了, 我把这个房间扫完的时候, 我就可以知道这个房间在纳米尺度上的地形变化, 形貌是什么, 原子尺度上究竟长的像什么样, 这就是扫描隧道显微镜, 1981年这个现象发现, 1986年获得诺贝尔物理奖, 这是经常见到的照片, 不但可以观察这个地形在纳米尺度上的变化, 还可以用这个针尖像筷子一样, 把原子推来推去, 可以摆成一个字, 左边这个图是用35个原子在一个铜的平的极板上摆出来的IBM字, 这是世界上最小的字符, 这说明量子现象研究, 尽管看起来非常简单, 但是给人类社会带来技术进步是非常巨大的, 这是我想刚才回答化腾提到的为什么科学进行很重要, 同时科学发现也非常重要.
这是我用扫描隧道显微镜在我的实验室观察一个材料, 大家可以清清楚楚看到, 每一个原子排列的非常整齐, 而且可以精确测量两个原子之间距离, 如果这个地方缺一个原子, 少一个原子, 这个材料有缺陷, 我会准确的进行判断和测量.
下面谈一下时间, 一秒等于1000毫秒, 1毫秒等于1000微妙, 1微妙等于1000纳秒, 这个公式大家都会背, 又来了一个问题, 我们如何测量一个纳秒? 我们测量一个纳秒的精度是什么? 这又摆到了科学家面前, 这是一个非常简单的测量, 不就是测量时间吗?
到了纳米世界的时候, 微妙世界的时候, 我们时钟的标准是什么? 你炒股票的, 你可能早到一个毫秒, 把钱投上可能就挣大钱, 所以你掌握了时间测量, 你有可能在分秒必争的世界, 会取得先机, 所以时间的测量也非常重要.
时间的测量在过去的几百年中发生了巨大的变化, 咱们中国人很聪明, 咱们以前测量时间是什么? 靠沙漏, 靠日轨, 大家知道日轨对时间测量通过太阳在轨上的棒的投影, 测量每天你处在什么时间. 后来我们又发明了沙漏, 但是沙漏对时间测量准确度, 一天可能十几分钟, 二十分钟.
又过了若干年以后, 我们又制造有钟表了, 钟表大约一年像摆钟, 以前的摆钟一年一秒, 后来我们又发明电子表, 石英钟, 可能100年只有1秒误差, 现在到了20世纪60年代的时候, 量子技术出现了, 量子技术出现了以后, 我们可以把时间的测量能做到30万年之差1秒.
到了最近, 已经到了50亿年差1秒. 你知道我们地球和太阳的年龄, 我们的宇宙正处在中年, 大约是45亿年的年龄上. 在整个宇宙的年龄中, 我们现在科学家对时间的测量, 对时间测量可以达到只有1秒误差的水平, 这就导致了科学的发现, 更重要的是, 造成了技术和人类的巨大进步. 比如说60年代的时候, 我们把时间测量精度测到30万年误差1秒的时候, 就是我们现在GDP定位系统所用到的时钟.
如果你做到50亿年只差1秒的时钟, 做全球定位的话, 我移动半毫米也能测量出来, 因为我们大家都知道, 定位就是靠距离的测量, 距离用光定位, 因为光是确定的, 如果50亿年只差1秒时间测量精度, 大家可以想像, 我对距离测量可以到了一个几乎你不可想象的水平, 所以我可以的进行定位, 这就是科学发现, 量子技术给我们人类的生活带来的巨大的方便, 这方面一个非常好的例子.
这些当然还有很多, 今天因为时间有限, 我就不讲了, 我讲一个我获奖的一个成果, 我获奖这个成果可以简单回顾一下19世纪末的时候两个重要科学发现, 一个是当时在霍布金斯大学一个物理系博士生, 发现一个有磁场的获有效应, 咱们现在开车的速度机就是用的霍尔探测器, 霍尔效应还有反常霍尔效应, 是这个学生发现的两个非常重要的科学发现, 应用非常广泛, 今天没有时间做具体介绍. 到1980年, 发现的100年以后, 一个德国科学家, 在我们做晶体管硅条件中, 发现了整数量子霍尔效应, 也就是整数量子化的霍尔效应, 五年以后他获得了诺贝尔物理奖, 这是科学上巨大的进步.
在1982年2年以后, 三个物理学家, 包括华人物理学家崔其 (音) 先生, 在发光材料体上进一步做实验, 发现了分子化的量子霍尔效应, 他们1998年获得了诺贝尔物理奖.
回到这个世纪石墨烯, 大家都知道, 很多人都熟悉石墨烯, 在石墨烯这个材料中有两个俄籍的英国物理学家获得了物理学奖.
到了2016年的时候, 又有三个理论物理学家, 建立了实验物理学家发现的理论, 再次获得诺贝尔物理学奖, 但是不管怎么样都是霍尔效应的量子版本.
这里有个反常霍尔效应, 是不需要磁场的, 有没有它的量子版本? 这是2013年我带领的团队, 发现了量子版本反常霍尔效应, 不需要磁场, 就是因为这个成果, 我获得了咱们著名企业家给我授的100万美金. 不管怎么样有四个需要磁场的霍尔效应获得了诺贝尔奖.
这个是未来科学大奖授奖的照片, 这是四个非常热爱科学的企业家, 他们分别资助不同的奖, 旁边这两位是第一个发现量子霍尔效应的, 这是一张非常珍贵我也非常喜欢的照片.
又问了, 有什么用? 我就说找一个简单的, 单位的测量, 大家都知道电, 我们找一个电阻基准非常困难, 尤其到了非常非常精确的时候, 这个基准非常重要, 要是基准不准, 我们的电表就不准确了, 在咱们中国电能计量1%误差就会造成100万人民币误差, 如果哪个人捣鬼, 咱们白交了钱你还不知道, 这个标准是不知道的, 所以他可以轻易的把你的钱, 从你的腰包里放到我的腰包里. 我们就把量子电阻作为电阻的标准.
为什么? 我们发现测量这个电阻等于一个正等数乘h除以e平方, h是物理学的常数, 和光租一样是不变的, e作为一个电子带的电量, 科学家认为过了100年以后一个电子带的电量是不变的, 所以它是用物理常数表征的, 而且非常精确, 值多大? 如果测量准25812807449派, 我们可以用量子化信号定义这个值, 因此用它做电阻标准精确, 这个是我这个发现的一个简单的应用例子, 将来能不能用上? 很可能能用上.
未来的量子技术大家都知道有量子通讯, 咱们国内搞的如火如, 当然更多是量子计算, 因为我们是和电子打交道的, 电子器件非常多, 所以能把量子技术用到电子器件中有非常多的新东西, 有可能导致全新技术进步, 有可能导致很多高新企业, 当然还有更广范围的就是精密测量, 只要你测量的物理学量它的精度提高1个量级, 都有能导致一个新的产业的产生. 所以它对信息安全, 高性能计算, 人工智能, 超高能功耗, 集成电路都会有非常重要的意义.
简单举一个例子, 大家都知道潜艇, 都知道航母, 潜艇到水下, 它是一个铁做成的, 会产生磁信号, 这个磁信号对飞机上的人来讲, 磁场的信号非常的微弱, 但是用量子技术, 我可以很轻松的看到这个潜艇, 这个磁铁产生的微弱信号, 我就可以精确的进行反潜, 这对军事, 对国防也非常非常的重要.
总而言之我总这个最简单的技术讲, 量子技术是一个充满了期待, 充满了工业技术发展巨大潜力的领域, 希望在座的企业家们, 媒体朋友们, 政府官员们, 关注这个领域, 谢谢大家!