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實時大事件
量子科技掀起前沿技術新浪潮
2020-11-22  全球聯實業集團有限公司 發布

希格斯粒子試驗

量子通信、量子計算、量子材料、量子精密測量……在量子科技領域,一場激烈的競賽正在展開。量子科技已成為全球科技大國群雄逐鹿的新一輪科技革命和產業變革前沿陣地。

究竟什么是量子科技?量子科技為何如此重要?如何搶抓量子科技發展機遇?記者就此采訪了南京大學物理學院院長王伯根教授以及南京大學物理學院溫錦生教授。

近在身邊,量子科技為何如此重要

在19世紀末,經典物理進入黃金時代,經典力學、經典電動力學和經典熱力學構筑起了一座華麗而雄偉的物理學大廈,很多物理學家甚至都認為物理學已經接近完美,剩下的工作只是在這座大廈上小修小補——除了盤旋于其上方的兩朵烏云:邁克爾遜-莫雷實驗與以太漂移說相矛盾,以及黑體輻射理論中的“紫外災難”。

“而恰恰是這兩朵烏云后來導致了現代物理學大廈的兩大支柱——量子力學與相對論的誕生。”王伯根教授介紹說。我們現在都已經知道,量子力學與相對論是二十世紀物理學最重要的兩大進展。自二十世紀初量子力學誕生以來,包括普朗克、玻爾、愛因斯坦等100多位科學家由于量子物理的研究而獲得諾貝爾獎。

量子化是量子力學的主要特征之一。通俗地說什么是量子呢?就是當一個物體存在最小的不可分割單元時,我們就說它是量子化的,并把這個最小單元稱為一個量子。溫錦生教授接著科普說,這個概念由德國物理學家普朗克在1900年研究黑體輻射時率先提出——能量存在最小單元即“能量子”(量子),它的傳播不是連續的,而是一份、一份的。除了能量以外,電荷、粒子自旋等物理量也是量子化的。

“量子科技并不是剛剛出現的新學科領域,它的發展已逾百年。”溫錦生教授表示,量子科技并不小眾,距離民眾并不遙遠。“但網絡上的量子眼鏡、量子電磁爐、量子圍巾并不是真正的量子產品,跟量子科技沒有直接關系。”

王伯根教授說,量子科學是區別于經典物理定律,在量子力學基本原理的基礎上重新構建的具有顛覆性的觀察、認識和理解微觀世界的方法和理論。事實上,在第三次工業革命中已經實現的很多偉大創新,很大程度上應該歸功于量子科技的發展。人類對量子科學的認識、發展和運用,催生了信息時代的核心技術,比如計算機CPU中的晶體管以及激光、硬盤、衛星定位導航等。“比如基于量子力學原理的巨磁阻效應,讓人類擁有了能夠存儲海量信息的硬盤;量子力學發展所催生的半導體晶體管,造就了今天的計算機、手機;量子力學原理在計時領域的運用,制成了原子級別精度的銫原子鐘,讓人類實現了精準衛星定位;基于宏觀量子現象的超導電性,已發展出核磁共振、磁懸浮列車等產品……”

清華大學副校長、中國科學院院士薛其坤也曾表示,量子科技在未來不但會使我們計算機的計算能力提高、通信速度更快,還將帶來更靈敏的傳感技術和更高的信息精度。對未來的數字技術,量子力學將從原理上提供支撐并引發新的技術革命,這與傳統技術帶來的漸進性發展截然不同。

“未來10-20年,量子科學的很多應用,可能現在都不能想象。”王伯根教授和溫錦生教授都很肯定地表示。未來,以量子科技作為支撐,計算機的計算能力、通信的速度與安全、傳感技術的靈敏度與信息精度,都將得到根本性的提高?;谧孕?、超導電性、拓撲物態等受量子力學支配的新奇微觀和宏觀量子現象發展的新型量子器件,將引領新一輪的科技變革與產業革命。例如,傳統半導體工業的發展已經到了瓶頸期,傳統加工工藝已經逼近量子極限,“過去單位面積上可以容納的晶體管數目每經過2年左右會增加一倍,如今器件尺寸已經很難繼續變小,要從根本上突破,取決于量子基礎理論和量子器件的源頭創新。”溫錦生教授補充說。

前沿掃描,量子科技領域廣闊

量子科技領域十分廣闊,包括量子通信、量子計算與量子模擬、量子精密測量,以及量子材料、量子調控、量子力學基本原理和物質基本結構等現代物理學及相關交叉學科的多個方面。

王伯根教授介紹,依托于包括物理學院、現代工學院、電子學院等在內的大物理學科,南京大學在量子科技研究方面有著深厚的歷史積淀和前瞻性的戰略布局,是國內最早的兩個量子調控研究基地之一,目前已在拓撲物態研究、高溫超導電性、人工微結構的量子調控、原子制造、量子材料類腦智能硬件、量子通信、量子計算和量子模擬、量子精密測量、量子材料等多個量子科技的前沿領域開展研究,取得了一系列重大原創性成果。

“量子通信、量子計算與量子模擬、量子材料、量子精密測量等是量子技術目前可以寄予厚望的幾大主要發展方向。”王伯根教授介紹說,在量子通信方面,南京大學祝世寧院士團隊以光學微結構材料近40年的研究積累為基礎,在單光子、雙光子及高維糾纏態的產生和操控方面取得突破,成功制備出高維度量子糾纏光源,對于發展具有更高信息容量和速率的量子信息處理技術具有重要意義。該團隊還將微結構光子集成技術與無人機結合,首次實現了基于無人機的量子糾纏分發實驗,并演示了其在白天、夜晚、雨天等多氣象條件下工作的能力,為進一步發展基于無人機等移動平臺的量子通信網絡打下基礎。此外,南京大學相關團隊還在光的波粒二象性的疊加調控、硅基光量子芯片、超導量子計算與量子模擬等領域取得一系列突破。

以量子材料為例——這是量子科技發展的重要物質基礎。“比如國際上方興未艾的拓撲量子材料領域,就是希望通過找到更多拓撲量子材料,并探究其奇特物性,為構建下一代新器件和新應用提供可能。”溫錦生教授告訴記者,近年來,南京大學萬賢綱教授研究團隊在拓撲物質態探索方面已經實現了從0到1的理論突破,站在了相關研究領域的國際最前沿,將拓撲的概念由絕緣體推廣到金屬體系,開啟了國際上對拓撲半金屬態的研究熱潮,并建立了拓撲量子材料數據庫。

再比如,目前大家都十分關注的我國半導體工業“卡脖子”問題。如果我們能用量子科技實現對物質原子的操控,開發一種全新的原子制造技術,將為我國極端微制造行業提供一條全新的路線,這也是量子科技在未來制造業中的一個擁有廣闊前景的切入點。王伯根教授說,南京大學在原子制造的基礎研究方面富有特色,建設了宏量制備團簇離子新裝置,設計了多種原子尺度的量子器件。

南京大學研究人員還能像“搭樂高”一樣,在原子世界里將性質迥異的多種二維材料按照不同的順序進行堆垛,制造出自然界并不存在的新型結構材料,設計和實現了多種類腦智能原型器件與系統。這些基于量子材料的類腦智能硬件,可以模擬我們的“眼睛”和“腦回路”等,將為物聯網、邊緣計算、人工智能等應用的快速發展提供助力。

“領先”和“短板”,中國都將繼續快進

量子科技對于國計民生、國防安全、社會進步和經濟繁榮具有重大戰略意義。近年來,量子科技的發展突飛猛進,成為新一輪科技革命和產業變革的前沿領域。我國雖然在量子科技方面起步較晚,但是我國科技工作者奮起直追,只爭朝夕,取得了一批具有國際影響力的原創性成果。

王伯根教授說,“目前我國在光纖和自由空間量子通信、基于光與冷原子的量子計算和量子模擬、針對定位與導航的精密時間測量、量子材料的拓撲物態研究以及基于人工微結構的量子調控等領域已經處于領跑地位。”與此同時,我國在量子科技的不少領域也存在“短板”,比如說核心元器件高端制造設備,極端精密測量設備等方面還亟需加強。

未來,量子科技發展的突破口在哪兒?王伯根教授說,量子科技的發展需要多學科支撐、高技術產業支撐,需要吸納有實力的高新技術企業的參與。下好量子科技“先手棋”,應大力推動高校、科研單位與企業之間的合作,打通產業鏈和創新鏈之間的阻隔,提升成果轉化的效率,有效促進我國產業的轉型升級;也應進一步深化科技管理體制改革,完善評價體系,激發科技隊伍的巨大潛能。

薛其坤也曾表示,對量子科技發展進行部署時,應考慮到產學研協同,考慮到從基礎研究到應用之間的密切結合,這樣可以提高效率,加快研發速度。

科技工作者,應利用好量子科技發展的戰略機遇期,共同營造出量子科技發展蓬勃向上、百舸爭流的局面。溫錦生教授說,“我們科技工作者一定要不畏艱難險阻,勇攀科學高峰,加快基礎研究突破和關鍵核心技術攻關,爭取在量子科技領域再取得一批世界水平的原創成果。”

王伯根教授表示,“接下來我們南京大學將進一步發展人工微結構光場調控在量子信息技術中的應用,在大規模集成光量子芯片方面尋求突破。推進量子計算和量子模擬等方面的實用化進程;在量子材料方面,發現具有更大實用價值的超導、拓撲、自旋電子學等新型材料,進一步開展基于量子力學新原理的量子器件研究,開發更多的先進制造裝備。”

除了著眼于應用的基礎研究,量子科技的研究還將進一步探索微觀物質世界的物理規律。

王伯根教授介紹,由于希格斯粒子賦予了基本粒子以質量,所以在基本粒子的研究中扮演了非常重要的角色,對它的粒子性質開展研究有助于我們理解宇宙演化和質量起源等重要問題。南京大學研究團隊在希格斯粒子的發現和性質研究中做出了重要貢獻,未來將重點布局雙希格斯粒子產生機制的研究,有望在數年內觀測到雙希格斯粒子的產生,促進人們對于物質基本結構和宇宙早期演化規律的理解。

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