薛教授首先從量子世界的神秘之處講起, 他談到, 1981年掃描隧道顯微鏡的出現, 讓人類多了一雙能夠觀察到微觀世界的眼睛, 能夠首次在原子層面上觀察物質.
薛教授在演講中談到了自己獲得獎研究的經曆, 對於大家問的基礎研究有沒有用, 他笑稱, 拿自己做的量子反常霍爾效應研究來說, 電阻基準在我國很重要, 在我國, 1%的電量計算誤差, 就能達到100億人民幣的誤差, 而通過量子電阻, 不隨時間地點發生變化, 能夠把誤差縮小非常多.
最後, 薛教授表示, 未來量子技術可以在量子通信, 量子計算, 量子精密測量等領域發揮重要作用. 將對資訊安全, 高性能計算, 人工智慧, 超高速超低功耗電整合電路, 軍事目標探測, 材料類比等領域產生重大影響, 或許將引起顛覆性技術的革命. (河雨)
以下為演講全文:
薛其坤:
謝謝大家, 各位領導, 各位嘉賓大家下午好!
首先非常感激未來論壇邀請我在中國改革開放40年之後, 來到中國改革開放的前沿深圳做報告, 我也非常榮幸能得到首屆的未來科學大獎, 和盧煜明先生一起分享了企業家, 投資家, 對我們科學家的熱愛, 關懷. 我也從剛才話筒的講話, 看到了企業家, 業界人士對科學滿腔熱情, 在此我代表全體科學家們, 對我們企業家們, 投資家們, 金融家們表示敬意, 謝謝大家!
我的專業是量子物理, 我是研究關注電子器件中量子行為, 今天我通過這個報告讓大家看一看科學巨大的威力, 為什麼基礎研究, 像剛才話筒期望的那樣, 會給人類社會造成這麼大的變化和進步, 科學的威力到底在哪裡? 我想從一個非常簡單的類似於科技的報告向各位觀眾做一個簡單的介紹.
我今天在座每一位都非常熟悉的單位講起, 長度的單位. 一米大概是一個小學生的高度, 大家都有印象. 一米等於1000毫米, 這個大家都知道. 1毫米等於1000微米, 1微米等於1000納米, 因此1米就等於1000×1000×1000納米, 就是10的9次方納米, 這個可能初中生都很了解. 那麼我現在想問的問題是, 我們用什麼標準測量1納米? 我們對米的測量有尺子, 對納米我們的尺子在哪裡?
1納米非常小, 我們知道碳原子, 碳, 5個碳原子肩並肩排在一起, 長度就是1納米, 那1納米, 或者納米客觀技術用什麼尺子測量它, 表徵它? 等到了納米世界, 這是科學家必須要回答的問題.
所以如何精確的測量1納米長度, 你誤差多大, 決定了你對納米科技掌握程度在哪裡, 這是一個非常基本的問.
那麼到了納米的時候, 我們所關注的量子效應就會發揮巨大作用. 我是關注電子量的行為, 這是一個普通的電路, 可能化騰在你研發機構每天都會看到, 有一個導線, 有電流經過, 要做測試. 這樣一個裝置, 大家可以看到, 這是一個電極, 一個導線, 我連起來放上電源, 電池, 如果它兩個不接觸的時候, 我們小孩可能都知道, 這之間沒有電流流動. 這叫電路中的斷路.
下面, 我把兩個電極之間距離變斷, 但是不接觸, 短到什麼程度? 短到大約1納米的時候, 你會發現事情發生了變化. 這個時候, 你的電流表上會出現電流了, 但是本身這個裝置還在斷路狀態, 也就是說這個時候點子會從一個電極到達另一個電極, 越過1納米的空間, 會到達另一個地方去, 形成迴路, 形成電流, 這就是納米世界的特殊的美麗和有意思的地方, 也是我們量子力學上非常有名的量子飛穿, 這是發生在納米世界的納米現象.
科學家繼續研究這樣一個非常簡單的裝置, 有極其大的威力, 通過測量發現, 當你間隙變化百分之一納米的時候, 測量電流會變化一個量級, 我們再回憶一下剛才我問的問題, 你發生髮現量子飛穿提供了一個精確測量長度的方法, 我變化百分一個納米就會發生電流變化一個量級, 用電流變化測量百分之一的納米的變化, 這不就提供了一個非常精確的納米世界的尺子嗎? 簡單不簡單? 非常簡單, 但是涉及到非常深刻的量子物理, 為什麼電極會從這個電極像沒有障礙一樣, 飛渡到另外一個電極? 這是我們研究的非常基本的現象, 叫量子飛穿 (音) .
這樣我們現象我們可以用不同的儀器觀察世界的眼睛, 比如說這個電極在衛生間, 這個電極在這個房間裡, 現在進行掃描, 當我掃到這個地方的時候, 話筒前面這個地方, 如果少了一個原子, 地勢低了一點點, 距離變化了, 電流大了, 我把這個房間掃完的時候, 我就可以知道這個房間在納米尺度上的地形變化, 形貌是什麼, 原子尺度上究竟長的像什麼樣, 這就是掃描隧道顯微鏡, 1981年這個現象發現, 1986年獲得諾貝爾物理獎, 這是經常見到的照片, 不但可以觀察這個地形在納米尺度上的變化, 還可以用這個針尖像筷子一樣, 把原子推來推去, 可以擺成一個字, 左邊這個圖是用35個原子在一個銅的平的極板上擺出來的IBM字, 這是世界上最小的字元, 這說明量子現象研究, 儘管看起來非常簡單, 但是給人類社會帶來技術進步是非常巨大的, 這是我想剛才回答化騰提到的為什麼科學進行很重要, 同時科學發現也非常重要.
這是我用掃描隧道顯微鏡在我的實驗室觀察一個材料, 大家可以清清楚楚看到, 每一個原子排列的非常整齊, 而且可以精確測量兩個原子之間距離, 如果這個地方缺一個原子, 少一個原子, 這個材料有缺陷, 我會準確的進行判斷和測量.
下面談一下時間, 一秒等於1000毫秒, 1毫秒等於1000微妙, 1微妙等於1000納秒, 這個公式大家都會背, 又來了一個問題, 我們如何測量一個納秒? 我們測量一個納秒的精度是什麼? 這又擺到了科學家面前, 這是一個非常簡單的測量, 不就是測量時間嗎?
到了納米世界的時候, 微妙世界的時候, 我們時鐘的標準是什麼? 你炒股票的, 你可能早到一個毫秒, 把錢投上可能就掙大錢, 所以你掌握了時間測量, 你有可能在分秒必爭的世界, 會取得先機, 所以時間的測量也非常重要.
時間的測量在過去的幾百年中發生了巨大的變化, 咱們中國人很聰明, 咱們以前測量時間是什麼? 靠沙漏, 靠日軌, 大家知道日軌對時間測量通過太陽在軌上的棒的投影, 測量每天你處在什麼時間. 後來我們又發明了沙漏, 但是沙漏對時間測量準確度, 一天可能十幾分鐘, 二十分鐘.
又過了若干年以後, 我們又製造有鐘錶了, 鐘錶大約一年像擺鐘, 以前的擺鐘一年一秒, 後來我們又發明電子錶, 石英鐘, 可能100年只有1秒誤差, 現在到了20世紀60年代的時候, 量子技術出現了, 量子技術出現了以後, 我們可以把時間的測量能做到30萬年之差1秒.
到了最近, 已經到了50億年差1秒. 你知道我們地球和太陽的年齡, 我們的宇宙正處在中年, 大約是45億年的年齡上. 在整個宇宙的年齡中, 我們現在科學家對時間的測量, 對時間測量可以達到只有1秒誤差的水平, 這就導致了科學的發現, 更重要的是, 造成了技術和人類的巨大進步. 比如說60年代的時候, 我們把時間測量精度測到30萬年誤差1秒的時候, 就是我們現在GDP定位系統所用到的時鐘.
如果你做到50億年只差1秒的時鐘, 做全球定位的話, 我移動半毫米也能測量出來, 因為我們大家都知道, 定位就是靠距離的測量, 距離用光定位, 因為光是確定的, 如果50億年只差1秒時間測量精度, 大家可以想像, 我對距離測量可以到了一個幾乎你不可想象的水平, 所以我可以的進行定位, 這就是科學發現, 量子技術給我們人類的生活帶來的巨大的方便, 這方面一個非常好的例子.
這些當然還有很多, 今天因為時間有限, 我就不講了, 我講一個我獲獎的一個成果, 我獲獎這個成果可以簡單回顧一下19世紀末的時候兩個重要科學發現, 一個是當時在霍布金斯大學一個物理系博士生, 發現一個有磁場的獲有效應, 咱們現在開車的速度機就是用的霍爾探測器, 霍爾效應還有反常霍爾效應, 是這個學生髮現的兩個非常重要的科學發現, 應用非常廣泛, 今天沒有時間做具體介紹. 到1980年, 發現的100年以後, 一個德國科學家, 在我們做晶體管矽條件中, 發現了整數量子霍爾效應, 也就是整數量子化的霍爾效應, 五年以後他獲得了諾貝爾物理獎, 這是科學上巨大的進步.
在1982年2年以後, 三個物理學家, 包括華人物理學家崔其 (音) 先生, 在發光材料體上進一步做實驗, 發現了分子化的量子霍爾效應, 他們1998年獲得了諾貝爾物理獎.
回到這個世紀石墨烯, 大家都知道, 很多人都熟悉石墨烯, 在石墨烯這個材料中有兩個俄籍的英國物理學家獲得了物理學獎.
到了2016年的時候, 又有三個理論物理學家, 建立了實驗物理學家發現的理論, 再次獲得諾貝爾物理學獎, 但是不管怎麼樣都是霍爾效應的量子版本.
這裡有個反常霍爾效應, 是不需要磁場的, 有沒有它的量子版本? 這是2013年我帶領的團隊, 發現了量子版本反常霍爾效應, 不需要磁場, 就是因為這個成果, 我獲得了咱們著名企業家給我授的100萬美金. 不管怎麼樣有四個需要磁場的霍爾效應獲得了諾貝爾獎.
這個是未來科學大獎授獎的照片, 這是四個非常熱愛科學的企業家, 他們分別資助不同的獎, 旁邊這兩位是第一個發現量子霍爾效應的, 這是一張非常珍貴我也非常喜歡的照片.
又問了, 有什麼用? 我就說找一個簡單的, 單位的測量, 大家都知道電, 我們找一個電阻基準非常困難, 尤其到了非常非常精確的時候, 這個基準非常重要, 要是基準不準, 我們的電錶就不準確了, 在咱們中國電能計量1%誤差就會造成100萬人民幣誤差, 如果哪個人搗鬼, 咱們白交了錢你還不知道, 這個標準是不知道的, 所以他可以輕易的把你的錢, 從你的腰包裡放到我的腰包裡. 我們就把量子電阻作為電阻的標準.
為什麼? 我們發現測量這個電阻等於一個正等數乘h除以e平方, h是物理學的常數, 和光租一樣是不變的, e作為一個電子帶的電量, 科學家認為過了100年以後一個電子帶的電量是不變的, 所以它是用物理常數表徵的, 而且非常精確, 值多大? 如果測量准25812807449派, 我們可以用量子化訊號定義這個值, 因此用它做電阻標準精確, 這個是我這個發現的一個簡單的應用例子, 將來能不能用上? 很可能能用上.
未來的量子技術大家都知道有量子通訊, 咱們國內搞的如火如, 當然更多是量子計算, 因為我們是和電子打交道的, 電子器件非常多, 所以能把量子技術用到電子器件中有非常多的新東西, 有可能導致全新技術進步, 有可能導致很多高新企業, 當然還有更廣範圍的就是精密測量, 只要你測量的物理學量它的精度提高1個量級, 都有能導致一個新的產業的產生. 所以它對資訊安全, 高性能計算, 人工智慧, 超高能功耗, 整合電路都會有非常重要的意義.
簡單舉一個例子, 大家都知道潛艇, 都知道航母, 潛艇到水下, 它是一個鐵做成的, 會產生磁訊號, 這個磁訊號對飛機上的人來講, 磁場的訊號非常的微弱, 但是用量子技術, 我可以很輕鬆的看到這個潛艇, 這個磁鐵產生的微弱訊號, 我就可以精確的進行反潛, 這對軍事, 對國防也非常非常的重要.
總而言之我總這個最簡單的技術講, 量子技術是一個充滿了期待, 充滿了工業技術發展巨大潛力的領域, 希望在座的企業家們, 媒體朋友們, 政府官員們, 關注這個領域, 謝謝大家!