王霆：中國科學院物理研究所副研究員
今天跟大家分享一些關於微納光學領域的前沿科學。
在切入微納之光主題之前，我希望先跟大家分享一下我的個人經歷，來說明我為什麼走向微納光學這個科研領域。
機緣巧合下，在我十幾歲的時候，英國劍橋的St. Mary's School來北京招生，我去面試了，結果就去了劍橋。
去了之後特別驚訝，發現這個學校原來是個女校，全校600個女生就我一個男生！
大家不要笑，大家可能覺得，男生到女校不是挺高興的事嗎？
其實不然，去了之後就會發現，作為唯一一個亞裔，我被排擠得非常的厲害，所以一度非常沮喪。
但是有一件事情我特別自豪——我的成績非常好，這歸功於我們偉大祖國的基礎教育。
在座很多小學生朋友們都會乘法口訣表吧，隨便問一下八八等於多少，每個人都能回答出來八八六十四。
但是，歐美的學生是不會的，他完全不知道，因為他沒有這個東西，所以這個事情他怎麼做呢？他只能8+8扒著手指頭算或者使用計算器。
去了之後你就會發現，我們通常需要用30分鐘完成的作業，他們卻需要花三個小時，可能還完成不了。
當時我的優越感怦然而生，這種優越感一直伴隨著我，直到進到了大學裡面。
在大學一年級下半學期的時候，我突然發現了一件算是晴天霹靂的事兒，就是所有的華裔學生考試都開始不及格了，我們原來都是名列前茅的，但是這時成績會變得非常差。
為什麼呢？因為在歐美的大學裡是學分制的算法，不是按照考試來算的，而是按照課業項目來算的。
這個項目可能是跟一個公司合作，IBM、英特爾之類合作的一個項目，他只告訴你需要完成一個什麼目標，但是在完成這個目標的過程中，你沒有任何的指南、你不知道你需要什麼樣的材料、也不知道你需要什麼樣的設計，一切的東西都是原創性的。
這時歐美學生的優勢就體現出來了，因為他們在教育過程中，從未有過像乘法口訣表這樣的定式思維。
我們所學的東西，都是被動的、被傳授的；而他們不是，他們是主動地去尋求生活中細微的科學答案，這就體現出了特別明顯的差別。
所以，我也一度非常彷徨，我不知道我需要什麼、我也不知道我想尋求什麼。
很慶幸的是，在我大三的時候，遇到了我的導師 Greg Parker 教授，他給我做了一組很簡單的關於量子點的實驗。
量子點是微納光學中一個非常典型的納米顆粒，他展示這個實驗之後，我就深深被吸引了，我覺得這個東西太有意思了！
大家可能不知道量子點是什麼，隨後我會詳細跟大家解釋一下，就是這個簡單的實驗，讓我想要在這個領域從事科研、去探索這些未知的美。
量子點是什麼
大家肯定很好奇，量子點是什麼樣的東西？會讓你覺得這麼美好、讓你希望去探索它、希望去研究它。
量子點有三個特性：
第一個特性：它是非常小的原子顆粒，一百納米尺度以下的原子團簇。什麼是原子團簇？就是一堆原子。但是它的尺度非常小，小於一百納米。
可能大家沒有概念，一百納米，其實只有一千萬分之一米。一千萬分之一米這麼小的一個原子團簇，這是它的第一個特性。
第二個特性：它是一個準零維納米材料。
三維大家都知道，就是我們日常生活中所有的塊材材料。我們這裡舉一個例子，典型的就是碳，大塊的煤塊是三維的。
什麼是二維？你可以想像一下，把石墨材料或者一個碳塊，無限的橫向切割，把它切成像生魚片似的、非常非常薄的、只有原子厚度的薄膜，這個就是石墨烯。
一維就更直接了，那就是一個碳納米管，它是在單一方向無限延長的、只有一維自由空間的這麼一個材料體系。
最後我們就要說到零維。零維就意味著在這樣一個空間或者這樣一個材料體系內，你沒有任何的自由空間，哪都去不了。
可以想像一下：如果是一個小原子呆在裡面，它哪都去不了，但是如果你讓它完全不動，它需要小到一個極限。
我們說是一百納米，它還是一個原子團簇，所以它只是準零維，還不是零維，是接近零維的這麼一個標準。這是量子點的第二個特性。
這兩個特性結合在一起，量子點它有意思在哪裡？
這兩個條件產生了量子限域效應，是1961年日本的久保先生提出的久保理論，我們現在稱之為「量子限域效應」。它的作用是什麼？
任何物質縮減到非常小的一個納米值，可能大家看到的非常大的一個鐵塊或者任何物體，當它縮小到一個納米尺度的時候，它的電子能級會由連續變成分立。
就像圖中所示，它從三維縮減到二維、一維、零維的時候，電子的能級逐漸變成離散型的。
離散型到底有什麼用？舉個簡單的例子來說，在日常生活中看到的某一個物質是磁性的，縮到零維的納米尺度之後，它可能變成導電的或者變成絕緣的；一個可能完全不發光的、黑乎乎的物質，當它縮小到零維空間的時候，它變成了發光材料、五彩斑斕。
這就是從三維變成零維結構之後，所謂光、熱、電等等一系列的物性相互之間的轉化。
因為我們這裡討論的是微納光學，所以我們希望去探索量子點到底有什麼樣的光學性質，馬上我會給大家做一組實驗。
在做實驗之前，我先給大家變一個魔術，一個簡單的魔術。
大家可以看到我這裡有一瓶水，對吧？這是一瓶水，沒有什麼奇特的，就是一瓶水。但是我會用我的意念讓它產生一些變化。
在場年輕的學生朋友們，你們覺得我用意念之後它會產生什麼變化？那我數一下3 2 1，我用意念讓它產生一些變化──來！3 2 1！是不是藍色的光？
其實剛才給大家賣了一個關子，這也不是什麼普通的水，這個就是我們說的量子點，裡面有納米顆粒。
大家可能看不到，我的右手拿著一個手電筒，其實就是一個泵浦的光，當量子點被紫外光或者高能量的光泵浦了之後，它就會呈現了不同的顏色。
現在我給大家做一組簡單的小實驗，看看量子點如何呈現不同的色彩。
我們會將一系列硒化鎘量子點融在有機溶液中，可能這些溶液看起來像白水一樣的、或者有淡淡的一些顏色。
當我們將這些量子點放在紫外光中，它就會呈現出不同的色澤，這個原理是什麼？
我們通過分散納米尺度，不同原子大小、不同尺度的納米顆粒，會呈現出不同的色澤。
大家可以看到這當中不同的顏色，這就是量子點奇妙的地方，這也是我們剛才提到的「量子限域效應」。
硒化鎘量子點（甲苯溶液）
那麼，我問大家一個簡單的問題：我們現在有三個標準的顏色，三基色。把紅綠藍三個顏色的溶液分別打開，我將這三種不同尺寸的納米顆粒混在一起，大家覺得會有什麼樣的變化？
我現在給大家展示一下，它變成青色了，有沒有？我們做到最後，它變成了白色，這也就是白色led，或者說是白光的發光原理。
我們把三基色融合在一起，它會成為未來的照明系統，可能會是我們利用的一個方向。
不同的尺寸的硒化鎘量子點，給了我們不同的色彩。
另外還有砷化銦量子點，看著像一個個黃豆顆粒似的，這就是砷化銦。
這是非常典型和常見的兩個量子點的例子。
右側的這個量子點，它會被我們大範圍的應用到光電通訊中，可以用於製備雷射器和探測器，因為它是在紅外發光。目前來說，大家所使用的寬帶、所有的光纖通訊中使用的探測器和雷射器，很大比例都是使用這種量子點完成的，所以它也是我們光通訊中一個非常重要的材料。
量子點的應用
來具體的說一說量子點到底有什麼應用。
三個應用方向：第一，「顯示」。大家看到了色彩斑斕的顏色；第二個方向就是「光通信」，我們前面簡單提及的這個方向，我後面會詳細講析解釋一下。最後一個就是「量子計算」。
首先說一下顯示方向。左圖中，我們將量子點和傳統顯示屏結合在一起；右圖是屏幕製作完成之後所呈現的不同色彩，這樣的屏幕色彩飽和度極其地高，有非常好的色澤度、顯示度，而且它的功耗很低，也就意味著如果做成手機屏後，未來你的電池可能會用兩天、會用三天。
這個專利已經被三星購買了，在開始大幅地量產，所以這是量子點最直觀的一個應用。
然後介紹一下中長期的應用方向──光通信。
說到光通信，我就不得不說一說現在的電子通訊。上個世紀到現在，大家從用筆、用紙的年代，到現在用電腦到iPad到智慧型手機，徹底地改變了人類的生活方式，這都歸功於Gordon Moore——摩爾先生，他發明了摩爾定律，是英特爾的創始人之一。
他在1970年提出了摩爾定律，即電子晶片當中最小的單元──電晶體──每18個月它的總數量會翻一番，其性能也會增加一倍。
所以我們的電腦從286、 386的時代開始，一直到奔騰的I 、II、III、IV，直到2010年摩爾定律都保持了它非常成功的預言。
但是在這之後，它逐漸開始失效了。大家可能已經意識到，現在這幾年用的手機、電腦性能並沒有那麼高的增速。
我們現在是大數據時代，網際網路經濟蓬勃生長，無論是從智慧型手機的發展開始，還是說我們的人工智慧，對數據的需求量是非常大的。
但是我們用電子作為晶片、作為信息載體的這個方式，已經滿足不了我們的需求了。
我們需要什麼？我們需要光子。大家都知道，光的速度比電要快的多，所以我們希望通過光子取代電子，成為新的信息載體。
谷歌建的一個數據中心，在近兩年內已經投入了10億美金，因為數據存儲量不夠。它目前的數據量達到了五個ZetaByte。
ZetaByte到底是一個什麼樣的尺度？通常一個手機存儲空間幾十G或幾百G，這是1萬億個G。就這樣還是完全沒有辦法滿足我們現在的數據需求量，大部分時候是超載的。為什麼？
因為所有的數據中心裡，大部分的信號處理還是採用電，在用電和電晶片之間採用光互聯，電的速度極度抑制了處理和傳輸信息的速度。
那麼我們需要做什麼？首先就是採用光電模塊，保留部分的電子晶片和光結合，採用一些光電模塊，大幅提高數據中心的速度，這是我們的第一步。
第二步我們需要採用光邏輯，用光去產生邏輯，那麼我們就可以實現光的電晶體，來可以完全取代所有的電子電晶體。大家就會得到「光晶片」。
最終大範圍地實現光晶片集成，以後大家得到的可能就不是什麼電子計算機了。我們要什麼？光子計算機。
光子計算機究竟有什麼樣的作用呢？最終的目標是希望它能夠達到一千億次每秒的運算速率，會遠遠超越現在所有手機、電腦、iPad當中的電子晶片的運算速率。這會是未來改變人類生活方式的另一項重要的科技。
除了前兩個應用方向，還有一個最重要的「量子計算機」。
現在有很多實現量子計算機的方式，包括冷原子、超導等等。但是我們在討論微納光學，所以我們希望去探索如何使用光子去實現量子計算機，也就是採用光子作為量子比特。
2017年中科大實現了8量子比特的這麼一個光量子計算機，下一步是12量子比特，最終我們希望在十年內實現一百個量子比特。
一百個量子比特是什麼概念？它的運算速率會達到現在全世界運算速率之和的一百萬倍。
通過計算，我們不僅可以助力人工智慧——計算人腦內的神經突觸和細胞之間是如何溝通、如何交流的，還可以幫助探索外太空，可能會徹底改變地球的面貌。這些是量子計算機更長遠的應用。
總而言之，微納光學基本上已經在目前慢慢改變我們人類的生活。我相信在未來的50年到100年，微納光學可能會徹徹底底的改變所有人對信息的認知、對數據的認知以及大家的生活方式。
希望我今天的這個演講，能夠讓一些年輕的觀眾未來加入到我們的陣營裡面來。謝謝大家！