量子点如何改变了我们的生活？ |中科院物理研究所王霆

出品：中国科普博览 SELF格致论道讲坛

导语：有一种“点”叫量子点，它很小很小，比一千万分之一米还小。日本有位科学家说，当物质小到某个尺度的时候，它就会变“性”，比如绝缘的变得导电、不放光的变得五彩斑斓，量子点就是这样。然而你想象不到的是，这样一种奇异的、微小的“点”，却有可能彻彻底底改变我们的生活。在SELF讲坛上，中科院物理所王霆为你打开量子点的神奇世界。

---嘉宾介绍---

王霆

中国科学院物理研究所副研究员

以下内容为王霆演讲实录：

大家下午好！我是来自中国科学院物理所的王霆。很高兴来到SELF跟大家分享一些关于微纳光学领域的前沿科学。在我们切入微纳之光主题之前，我希望先跟大家分享一下我自己的个人经历。这些个人经历也说明了我为什么走向微纳光学这个科研领域。

在一个机缘巧合的情况下，在我十几岁的时候，英国剑桥的St. Mary's School到北京来招生，然后我去面试了，结果我就去到了剑桥。去了之后特别惊讶，发现了一个特别大的问题──就是我去了之后，发现这个学校原来是个女校──全校600个女生就我一个男生！大家不要笑，大家可能觉得男生到女校不是挺高兴的事吗？其实不然。去了之后就会发现，其实作为一个华人，一个唯一的亚裔，我被排挤得非常的厉害，所以一度非常沮丧。但是有一件事情我特别自豪，这件事情是什么呢？就是我的成绩非常好。这也归功于我们伟大祖国的基础教育。在座很多小学生朋友们都会乘法口诀表吧，随便问一下八八等于多少，每个人都能回答出来八八六十四。但是，欧美的学生是不会的，他完全不知道，因为他没有这个东西，所以这个事情他怎么做呢？他只能8+8扒着手指头算──用最简单的方式或者使用计算器。去了之后你就会发现，我们通常需要用30分钟完成的一个作业，他们却需要花三个小时，可能还完成不了。当时这个优越感就怦然而生，然后这个优越感一直伴随着我直到进到了大学里面。

在大学一年级下半学期的时候，我就突然发现了一件算是一件晴天霹雳的事儿，就是所有的华裔学生考试都开始不及格了，我们原来都是名列前茅的，但是这时成绩会变得非常差。为什么呢？因为在欧美的大学里，给你学分制的算法，不是按照你的考试来算的，而是按照这个课业项目来算的──这个项目可能是跟一个公司合作，IBM英特尔之类合作的一个项目，他只告诉你需要完成一个什么目标，但是在完成这个目标的过程中，你没有任何的Instruction、你不知道你需要什么样的材料也不知道你需要什么样的设计，所有一切的东西都是原创性的。这时欧美学生优势就体现出来了，因为他们在教育过程中从未有过像乘法口诀表这样的定式思维。因为我们所有科学的东西，都是 被动的、被传授的；而他们不是，他们是主动地去寻求了生活中可能细微的科学的答案，这就体现了一个特别明显的差别。所以一度的时候我也非常的彷徨，我不知道我需要什么、我也不知道我想寻求什么。

很庆幸的是，在我大三的时候，遇到了我的导师 Greg Parker教授，他给我做了一组很简单的实验，这段实验就是关于什么呢？关于量子点。量子点是微纳光学当中，非常典型的一个纳米颗粒，他展现了这个实验之后，我就深深被吸引了，我觉得这个东西太有意思了！大家可能不知道量子点是什么，随后我会详细跟大家解释一下，就是这个简单的实验，让我想要在这个领域从事科研、去探索这些未知的美。

大家肯定很好奇──量子点是什么样的东西？会让你觉得这么美好、让你希望去探索它、希望去研究它。量子点首先有三个特性：它第一个特性是什么？它是一个非常小的原子颗粒，一百纳米尺度以下的原子团簇。什么是原子团簇？就是一堆原子。但是它的尺度非常小，小于一百纳米。可能大家没有概念，一百纳米，其实只有一千万分之一米，一米大概是这么长对吧？只有一千万分之一米的这么小的一个原子团簇。这是它的第一个特性。

它第二个特性是什么呢？它是一个准零维纳米材料。三维大家都知道，就是我们日常生活中所有的块材的材料，我们这里举一个例子，典型的就是碳。它就是一个大块的煤块。什么是二维？你可以想象──你把一个石墨的材料或者一个碳块，无限的横向切割，把它切成像生鱼片式的一个非常非常薄的只有原子厚度的一个薄膜，这个就是石墨烯。那一维就更直接了，那就是一个碳纳米管，它就是在单一方向无限延长的、只有一维自由空间的这么一个材料体系。最后我们就要说到零维，零维就意味着在这样一个空间或者这样的一个材料体系内，你没有任何的自由空间，你哪都去不了，你可以想象：如果是一个小原子呆在里面，它哪都去不了，但是如果你让它完全不动，它需要小到一个极限(小于原子尺度)。我们说是一百纳米，它还是一个原子团簇，所以它只是一个准零维，就是还不是零维，是接近零维的这么一个标准。所以这是量子点的第二个特性。

那这两个特性结合在一起，这个量子点它有意思在哪里？因为这两个条件产生了一个叫量子限域效应。大家现在可能觉得很迷茫，量子限域效应到底是什么呀？那它是在1961年日本的久保先生提出的一个久保理论，我们现在就称之为“量子限域效应”。它的作用是什么？它就是在任何的物质缩减到非常小的一个纳米值──可能大家看到非常大的一个铁块或者任何的物体，当它缩小到一个纳米尺度的时候──它的电子能级会由连续的变成分立的，就像图中所示，它从三维缩减到二维、一维、零维的时候，它电子的能级逐渐变成离散型的。那大家可能不理解这个离散型到底有什么用？举个简单的例子就是说你在日常生活中看到的某一个物质它是磁性的，缩到零维这个纳米尺度之后，它可能变成导电的或者变成绝缘的；那一个可能完全不发光的、黑乎乎的物质，当你把它缩小到零维空间的时候，它变成了一个发光材料、五彩斑斓。这就是所谓光热电等等一系列的物性──在从三维变成零维结构之后，它相互之间的一个转化。

因为我们这里讨论的是微纳光学，所以我们希望去探索量子点到底有什么光学性质。所以马上我会给大家做一组实验，去展示这个。在做实验之前呢，我先给大家变一个魔术，一个简单的魔术。这个魔术是什么呢？大家可以看到我这里有这么一瓶水，对吧？这是一瓶水，没有什么奇特的，就是一瓶水。但是我会用我的意念让它产生一些变化。那在场年轻的学生朋友们，你们觉得我用意念之后它会产生什么变化？那我数一下3 2 1，我用意念让它产生一些变化──来！3 2 1！是不是蓝色的光？其实刚才给大家卖了一个关子，这也不是什么普通的水，这个就是我们说的量子点。里面有纳米颗粒，大家可能看不到，那么右手其实持了一个手电筒，其实就是一个泵浦的光，当量子点被一个紫外光或者高能量的光泵浦了之后，它就会呈现了不同的颜色。

现在我给大家做一组简单的小实验，看看量子点如何呈现不同的色彩的。这里我们会有一系列的硒化镉量子点融在有机溶液（甲苯）当中，可能这些溶液大家看起来就像白水一样的或者有淡淡的一些颜色。当我们将这些量子点放在紫外光之后，它就会呈现一个什么不同的色泽。我给大家展示我们刚才这个非常漂亮的蓝色、不同的颜色，这个原理是什么？我们通过分散纳米尺度，不同原子大小、不同尺度的纳米颗粒 它就呈现了不同的色泽。大家可以看到这当中的不同的颜色，这就是量子点它奇妙的地方。这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

那么我问大家一个简单的问题：我们现在这里有三个标准的颜色──三基色──那我把红绿蓝这三个颜色分别打开之后，我将这三种不同尺寸的纳米颗粒混在一起，大家觉得会有什么样的变化？我现在就给大家展示一下，它变成青色了，有没有？我们做到最后，它变成了白色，这也就是白色的led或者这些白光的发光原理。那三基色（三种不同尺寸的量子点）我们把它融合在一起，它就会成为未来的照明系统，可能会是我们利用的一个方向。

大家刚刚看到了，不同的硒化镉量子点有不同的尺寸，它给了我们不同的色彩和颜色，非常的色彩斑斓。这是左侧的。我们右侧有什么样的结构呢？砷化铟量子点。大家看着像一个个像黄豆颗粒似的这个就是砷化铟。

这两种量子点是非常典型和常见的两个量子点的例子。右侧的这个量子点，它会被我们大范围的应用到光电通讯当中，它可以用作激光器和探测器的制备，因为它是在红外发光。目前来说大家所使用的宽带、所有的光纤通讯使用中的探测器和激光器，很大的一个比例都是使用这种量子点完成的，所以它也是推动我们光通讯的一个非常重要的材料角色。

我们说了这么半天的量子点，那我们就具体的说一说量子点到底具体有什么应用？有三个应用方向：第一，“显示”。大家看到了非常色彩斑斓；第二个方向就是“光通信”，我们前面简单提及的这个方向，我后面会详细讲析解释一下。最后一个就是“量子计算”。我们首先说一下显示方向──大家可以看到左图当中，我们将量子点和传统的显示屏结合在一起；右图就是屏幕制作完成之后所呈现的不同的色彩，这样一个屏大家可以看到色彩饱和度极其的高，而且它的功耗很低──也就意味着如果做一个手机屏之后，未来你的电池可能会用两天、会用三天，它有非常好的色泽度、显示度而且功耗非常的低。相信在未来的可能iPhone8或者iPhone8S你可能就会见到这个技术。因为这个专利已经被三星购买了，在开始大幅的量产，所以这是近期量子点最直观的一个应用。

我们再说在中长段的应用方向──光通信。说到光通信我就不得不说一说现在的电子通讯，我们上个世纪到现在大家都从这个用笔、用纸的年代到现在开始用电脑到iPad到智能手机，彻底地改变了人类的生活方式，这都归功于Gordon Moore摩尔先生。他发明了一个摩尔定律，他是英特尔的创始人之一。他在1970年的时候提出了他的摩尔定律，摩尔定律说了什么呢？

就是电子芯片当中最小的单元──晶体管──每18个月它的总数量会翻一番，其性能也会增加一倍，所以我们的电脑从286、 386的时代开始一直到奔腾的I IIIII IV，直到2010年摩尔定律都保持了它非常成功的预言。但是在这之后，它逐渐开始失效了──大家可以意识到现在这几年大家用的手机、用的电脑它并没有增速，我们都知道我们现在是大数据时代、互联网经济蓬勃生长，大家所对数据量的需求，无论是从这个智能手机的发展开始还是说我们的人工智能，对数据的需求量是非常大的。但是我们用电子作为芯片、作为信息载体的这个方式，已经满足不了我们的需求了。我们需要什么？我们需要光子──大家都知道光的速度比电要快非常的多，所以我们希望通过光子取代电子，成为新的信息载体。

那大家可以看到图中这里，是谷歌的一个数据中心，在近两年内已经投入了10亿美金，非常大的金额去建，因为数据存储量不够。它目前的数据量达到了五个ZetaByte。ZetaByte大家可能不知道这个单位，到底是一个什么样的尺度？就是我们通常说你拿一个手机16G的对吧？那这是1万亿个G。就这样完全没有办法满足我们现在的数据需求量，大部分时候都是超载的。为什么？因为所有的数据中心里头大部分的信号处理还是采用电，在用电和电芯片之间采用光互联，电的速度极度抑制了我们信息所能够处理和传输的速度。那么我们需要做什么？我们需要做的就是首先第一步采用光电模块，我们还保留我们现在部分的这个电的电子芯片和光结合，采用一些光电模块，去大幅的提高数据中心的速度，这是我们的第一步。那第二步那我们需要做什么，我们需要采用光逻辑，用光去产生逻辑，那么我们就可以实现一个光的晶体管，那如此以来光的晶体管就可以完全取代我们所有的电子晶体管。大家就会得到一个“光芯片”。那最终大范围地实现光芯片的集成，那以后可能大家获得的不是什么电子计算机了，我们要什么？光子计算机。那光子计算机究竟有什么样的作用呢？最终的目标就是说我们希望它能够达到一千亿次每秒的运算速率，它会远远超越我们现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是未来改变人类生活方式的另一项重要的科技。

最后一个部分，我们前面提到的除了前两个应用方向，还有一个最重要的“量子计算机”──现在有很多的实现方式，包括通过冷原子、 超导等等的方式，但是我们在讨论微纳光学，所以我们希望去探索如何使用光子去实现量子计算机？也就是采用光子作为量子比特。在5月3号的时候，中科大他们刚刚实现了8量子比特的这么一个光量子计算机，所以未来下一步是12量子比特，最终我们会希望在十年内实现一百个量子比特。一百个量子比特是什么概念？就是它的运算速率会达到我们现在全世界运算速率之和的一百万倍。我们可以去计算实现一是刚才说的人工智能，我们可以计算人脑内的这些神经突触和细胞之间是如何沟通、如何交流的？另外我们可以探索外太空，可能会彻底地改变地球的面貌，这就是量子计算机一个更长远的应用。

总而言之，微纳光学基本上来说已经在目前慢慢改变我们人类的生活，我相信在未来的50年到100年微纳光学可能会彻彻底底的改变所有人对信息的认知、对数据的认知以及大家的生活方式。也希望我今天的这个演讲能够让一些年轻的观众未来加入到我们的阵营里面来。谢谢大家！

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