每秒運算千億次的光子計算機,真的能實現嗎?

出品："格致論道講壇"公眾號（ID：SELFtalks）

以下內容為中國科學院物理研究所王霆演講實錄：

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(小於原子尺度)。

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（甲苯）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（三種不同尺寸的量子點）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的高，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，在開始大幅的量產，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！

「格致論道」，原稱「SELF格致論道」，是中國科學院全力推出的科學文化講壇，由中國科學院計算機網絡信息中心和中國科學院科學傳播局聯合主辦，中國科普博覽承辦。致力於非凡思想的跨界傳播，旨在以「格物致知」的精神探討科技、教育、生活、未來的發展。獲取更多信息。本文出品自「格致論道講壇」公眾號（SELFtalks），轉載請註明公眾號出處，未經授權不得轉載。