薛其坤：量子科学与精密测量

2018 年 6 月 14 日 未来论坛

清华大学副校长、2016年未来科学大奖-物质科学奖获奖者薛其坤教授于5月26日举办的未来论坛X深圳峰会上就“量子科学与精密测量”为主题发表演讲，分享了量子技术的变革及应用前景。

以下内容由现场讲话实录整理而成，感谢薛其坤教授给予的支持！

大家下午好！

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，为什么基础研究会给人类社会带来这么大的变化和进步，科学的威力到底在哪里？我想向各位观众做一个简单的介绍。

我从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，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题。

那么到了纳米的世界，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，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，如果它的两个电极不接触，我们小孩可能都知道，这之间没有电流流动，这叫电路中的短路。

下面，我把两个电极之间距离变短，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短路状态，也就是说这个时候电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隧穿，这是发生在纳米世界的纳米现象。

▶ 量子隧穿

科学家继续研究这样一个非常简单的装置，它有极其大的威力，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，你发现量子隧穿提供了一个精确测量长度的方法，我变化百分之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，叫量子隧穿。

通过这个现象，我们可以用不同的仪器作为观察世界的眼睛，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，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。

▶ 1981年，Gerd Binnig和 Heinrich Rohrer发明了具有革命意义的扫描式隧道显微镜

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。

▶ 利用纳米技术将氙原子排成IBM

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。

▶ 通过扫描隧道显微镜可以清楚看到每一个原子非常整齐的排列

下面谈一下时间，一秒等于1000毫秒，1毫秒等于1000微秒，1微秒等于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，微秒世界的时候，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，靠日晷，大家知道日晷对时间测量是通过太阳在晷上对晷针的投影，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，一天可能差十几分钟、二十分钟。

又过了若干年以后，我们制造了钟表，摆钟大概一年误差一秒，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做到30万年只差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。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，更重要的是，这造成了技术和人类的巨大进步。

▶ 随着科学的发展和量子技术的进步，时间越来越精准

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。如果你用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，所以我可以准确的进行定位，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。

10-18秒

GPS (US)

GLONASS (Russia)

Galileo (EU)

Beidou (China)

IRNSS (India)

▶ 冷原子光钟具备极高的频率准确度和稳定性

当然还有很多，今天因为时间有限，我就不讲了，我讲一个我获得未来科学大奖的一个成果，我获奖这个成果可以简单回顾一下19世纪末时两个重要的科学发现，一个是当时在霍普金斯大学物理系博士生，发现一个有磁场的霍尔效应，咱们现在开车的速度计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，三个物理学家，包括华人物理学家崔琦先生，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，很多人都熟悉石墨烯，两位俄籍的英国物理学家因发现石墨烯获得了2010年诺贝尔物理学奖。

到了2016年的时候，又有三位理论物理学家，建立了理论发现拓扑相变和拓扑相物质的理论，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，我获得了未来科学大奖。不管怎么样有四个需要磁场的霍尔效应获得了诺贝尔奖。

▶ 三个世纪以来对量子技术做出贡献的科学家们

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（下图左一、左二）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。

▶ 薛其坤获得2016年未来科学大奖-物质科学奖

又问了，有什么用？我就说一个简单的，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，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，从你的腰包里放到他的腰包里。我们就把量子电阻作为电阻的标准。

为什么？我们测量发现这个电阻等于一个正整数乘h除以e平方，h是物理学常数，和光速一样是不变的，e是一个电子带的电量，过了100年以后一个电子带的电量也是不变的，所以它是用物理常数表征的，非常精确。这个电阻值多大呢？是25812.807449欧姆，我们可以用这个量子化电阻作为电阻标准，它非常精确。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荼，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。

总而言之，量子技术是一个充满了期待，充满了巨大工业技术发展潜力的领域，希望大家关注这个领域，谢谢！