走近量子调控.docx

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走近量子调控

走近量子调控

于渌，理论物理学家、中国科学院院士。

出生于江苏镇江。

1961年毕业于前苏联国立哈尔科夫大学理论物理专业。

中国科学院理论物理研究所研究员。

1990年当选为第三世界科学院院士。

从理论上预言含顺磁杂质超导体中存在束缚态，开拓了磁性杂质对超导体影响的系列理论与实验研究。

参与倡导闭路格林函数研究，给出了描述平衡与非平衡统计物理的统一理论框架。

提出导电高分子准一维系统中孤子型元激发应满足的拓扑性边界条件。

与他人合作，用骨架图展开方法计算了连续相变临界指数，准到小参量ε的3阶；发展黄昆的晶格驰豫理论，研究了准一维导体中局域性元激发的动力学和物理效应；用自洽方法研究了空穴在反铁磁背景上的运动；研究并预言电阻在转变温度附近有极大值；用规范场理论研究了高温超导体的理论。

导读光子、电子、原子和整个“量子世界”是人脑“构造”出来的，是可以被利用的“自在之物”，还是可以“看得见、摸得着、可以调控”的‘为我之物’？

现代科学技术的发展使“观测时代”到“调控时代”的转变成为现实的可能和进一步发展的必需！

所谓量子的调控，就是通过干预分子和原子的运动规律，来为我们人类的生活和科学服务。

量子调控，是当今科学研究的技术前沿，几乎每一个国家都对此非常重视，它未来衍生出的，比如量子信息科学，会是一个走向融合的、技术开放的、更加前沿的技术方向。

从量子力学到量子论由于宇宙非常之大，且由不同的层次、不同的尺寸组成，因此牛顿力学所描述的规律也是不一样的。

我们现在这个宇宙，是在137亿年前大爆炸发生以后，慢慢演化出来的。

当然现在的这个世界是非常的丰富多彩，它变化的尺寸可以是无限大，也可以比原子小到一千倍。

在这些不同的尺寸的运动的客体中，它们的运动规律也是不尽相同的。

20世纪初，普朗克提出了黑体辐射的规律，解决了所谓“紫外灾难”的问题。

爱因斯坦，提出了光量子的假说，并由此获得了诺贝尔奖。

1912年，丹麦科学家玻尔，提出初步的量子理论，他的这个理论现在常用一个类似太阳系轨迹的一个原子当中电子轨道模型来表现。

20年代，薛定谔、海森堡和狄拉克几位科学家共同创建了量子力学，他们创建的量子力学不同于牛顿的经典力学的一个重要特征是，粒子在运动时是没有轨迹的，动量要满足“测不准关系”。

量子力学产生后，人们了解了物质是怎么构造的，知道分子、原子是怎么运行的，也明白了化学究竟是怎么回事情。

在此基础上，又建立了固体的电子论。

半导体、晶体管、集成电路，磁性的存储材料，计算机技术……20世纪的文明，实际上都是对这些奇妙量子现象的理解和运用。

对于量子力学的解释，实际上是存有争议的。

科学家爱因斯坦是量子论的最早的提倡者，而且是个比较彻底的量子论的提倡者，但是他一生都在反对量子力学，尤其反对量子力学的解释。

在20世纪30年代，他与帕导斯体和若萨共同撰写的一篇文章，就是要找出一个办法来说明量子力学的荒谬，即EPR的佯谬。

爱因斯坦指出，在量子力学里有两种态，一种态叫做可分离的态，一种态叫做纠缠态。

比如说一个自旋的电子，它向上、向下的自旋，组合起来就是一个态，把两个态相乘以后，就是一个相乘的态，再把这两个态分开，这两个态就没关系了。

但是如果相反，两个粒子的状态是由一个粒子的自旋向上和另外一个粒子的自旋向上，以及两个不同粒子的自旋向下的组合，就叫做纠缠态。

纠缠态有一个非常奇妙的结果，就如光是有垂直的偏正或水平的偏正。

光的态的本身相当于垂直偏正和水平偏正的叠加，同一个光源传向远处的男孩鲍勃和女孩阿里斯，分别经过鲍勃和阿里斯的光仍然是垂直偏正和水平偏正的组合。

但是，如果鲍勃做了一次测量，结果光是水平的，那么阿里斯即使忽略测量也会知道她这里的也光一定是水平的。

因为在测量之前可以确定其可能性，测量之后可以肯定它一定是水平的。

爱因斯坦断言这是一个绝对的荒谬，便想因此来推翻量子力学。

有关量子力学实验，包括我国一些研究科学家的实验都证明了这个事情实际上是不对的。

实际上对这边量子态的测量，确实能够认定那边量子态的状态，也就是这种非常奇妙的性质使得原来神秘的量子力学逐渐成为我们能够影响和控制的“为我之物”。

原子、电子、光子以及整个量子世界是由人脑构造出来并可被利用的自在之物，是一个可以看得见摸得着、可以调控的“为我之物”。

探寻新能源之路随着现代科技的发展，使时代从观测实践到调控的转变成为现实的可能和进一步发展的必须。

现在掌握的科学手段可以真正并且逐步认识它，并且来改变和影响它，使它进一步造福人类。

比如半导体晶体管的发明，是人类的一大进步，半导体晶体管小到可以做成集成电路。

20世纪60年代，贝尔实验室工程技术人员Moore提出Moore定律。

这个定律是指，这种半导体集成化发展速度之快，以致平均每18个月在一块晶片上面装的晶体管的数目翻一番。

但是现在，已经发展到了极限。

首先因为，电子有很多量子的性质；此外，晶体管越做越小后，其散热问题就会越来越严重，所以就变的越来越困难。

比如，1988年时每个晶体管的集成度4兆，相当于每个片上有四百万个晶体管，每个晶体管平均有一万个电池，照此趋势发展到2016年，每个晶体管上只有一个电池，这就是发展到极限了。

大家可以想想看，这件事情就是做到头了，就不能再继续向前走。

所以就给科学家提出了一个新的命题，就是如何探索一个新的路子，来寻求信息技术的发展。

能源有非常严重的问题，那就是，人类能源需求的发展曲线越来越大，因此我们人类面临这种严重的能源问题，探索一个新的路子来寻求信息技术的发展就变得迫切重要了。

要从根本上解决这个能源危机，我们就要学会如何像植物的光合作用那样来高效率的利用太阳能。

如果这个目的能够实现，我们的能源就将取之不尽，而且将是绿色无污染的。

环境也是我们人类同样面临的问题，我们倡导减少塑料袋的使用，这是因为塑料是没有办法降解的。

如何利用降解来控制污染问题，还是人类的一个理想。

人类是有梦想的高级动物，人们想的是什么呢？

造出一个生命出来后，不仅要明白这个生命的起源，而且能够造出人造的生命，也就是合成生命，并且能够让这个生命同非生命的系统来交换物质，交换能量，交换信息，那么所有这些听起来都是天方夜谭的事情，但实际上随着科学技术的发展，这些一步一步会将变成事实。

量子调控的进程在美国能源部2007年出版的里提出五大有一定代表性的挑战：

第一，如何在电子水平上操控材料的物性；第二是如何按要求的物性，来设计并高效合成全新的物质形态；第三，研究物质的奇妙物性，如何从原子和电子的复杂关联效应中衍生出来并加以控制，了解这些奇妙的效应的形成过程，如何在纳米尺度上调控能量和创造出可与生命物质相媲美的技术，以及如何表征并且控制非平衡态，尤其是远离平衡态的物质。

我国从2006年开始有四项重大研究计划，量子调控就是其中之一，而且所有发达国家都投入大量的人力和物力进行这方面的研究。

物质包括结构和运动两个方面，如果把一个物体从结构上不断的拆分到原子状态，或是继续再分。

我们要能够调控它，首先要了解物质的基本结构，再进行探测和操控或变革这些单独的电子、光子、原子的方法，它包括扫描隧道显微镜、原子束的技术、磁共振的技术，超导体和半导体探测器材，这是它的结构方面。

物质的另外一个方面是它的运动单元，比如说两个没有相互作用的粒子，它的结构单元和运动单元是一起的，但如果它这个粒子与粒子之间相互作用很强的话，它的结构单元和运动单元就可能不同，运动的单元有它本身的所谓能级和其自旋轨道，我们可以通过高分辨的、高灵敏度的表征来调控它，并且有很多的新技术。

下面以扫描隧道显微术为例。

扫描隧道显微镜由两个瑞士人发明，他们在1986年获得了诺贝尔物理奖。

扫描隧道显微镜由一个很简单的电路和一个导体组成，将一颗细探针放上去，再加一点偏压，就会产生两个非常奇妙的功能。

一个功能可以知道下面的原子，这个物质的成像；第二个功能就决定了他探出电子里的状态指挥电子谱以致成像，可以做为谱学，然后再进行操控。

利用针尖来进行组装分子，变更它，这就是我们用来操控微观世界的有效的方式之一——扫描隧道显微术。

IBN公司的一个研究小组正在研发一个非常灵敏的仪器——自旋磁共振力显微镜。

它的道理也非常简单却也比较复杂，它的组成部分是一个非常灵敏的悬臂，下面有一个可以造成比较强梯度的磁场，在此可以产生磁共振，另有一个激光束来探测它。

这种自旋磁共振显微镜可以探测单个自旋的灵敏度，精度达到25纳米。

物理学的规律的验证，是要靠精密的实验来测量的。

在发展量子的技术当中，人们在不断发明、发展精密测量的技术。

现在很多国家在欧洲核磁中心联合起来造了一个大加速器，即LHC，目的为寻找皮克斯粒子或超对称的粒子。

如果这些粒子存在，就会打破基本粒子作为标准模型。

在实验室里，也是可以做一些类似的实验来取代那么高代价的实验。

具体来说，就是有可能用原子物理的实验来探测有没有按照标准模型或超越标准模型，不会有所谓本征的电的偶极矩，但是如果能够探测到所谓本征的电偶极矩，即正电荷的重心和负电荷的中心，它的位置稍微挪开一点点，但它的精度非常高，达到10－31，如果能达到这样的精度，就有可能在实验室观测到超越超对称模型。

医院里除X射线射体外，还有一个很重要的技术即磁共振显示成像（MIR）。

这种试验设备的精度和分辨率还不够高，通过发明这个精密测量的技术，通过这种所谓超导相干仪器就能够发展出非常精密的测量技术。

运用这种技术来改进现在的MRI，就有可能把现在的磁共振成像技术大胆的往前发展。

历史上用沙来做的最好的标准钟就是“铯的原子钟”，它是使用金属铯制作而成的。

用金属铯制造而成的原子钟的精度可以达10－16，相当于六千万年差一秒。

现在有很多开车的人都在使用GPS，GPS它是靠24颗卫星定在轨道上，要能够保证GPS测量的距离准确，就必须要使这个钟非常准确。

所以下一代的导航和GPS，或者我国的北斗计划，都需要以发展时钟为标准。

而这个标准，和精密测量有非常密切的关系。

量子调控的极端条件大家知道教堂里的玻璃都是色彩斑斓的，有各种各样的颜色。

但是那这些颜色是如何染上去的呢？

为什么玻璃里头有不同的颜色呢？

这个技术是17世纪和18世纪在欧洲发展起来的。

实际上是由不同尺寸的纳米尺度的金属颗粒——金或者银的颗粒组成的，当它们的尺寸完全不同时就会发出不同的光。

这就是教堂里玻璃颜色的奥秘。

光学里所谓的染颜色极限（即光学的分辨率）不能超过其波长的一半。

可见光一般为几百个纳米，如果我们用肉眼观察仅有几纳米的物体，光学的这些办法就无能为力了。

现在就有很多新的方法能够看见比波长还短的东西，这就是量子和量子计算。

量子计算是图林在1936年提出的普世的量子计算原理，毛一曼教授又提出如何使用二进制物理单元来实现这个计算。

20世纪的量子力学、量子计算以及信息科学本身合成后，就可能产生一个新的量子信息科学，这是一个全新的学科。

量子里有一个无克隆定理，就是既不能够复制也不能拷贝。

现在有一种叫做有量子和另外的量子的中继的新型办法，这就是量子中继的一个可能的途径，量子信息通过光子传播，用冷原子把光子的信息进行存储、存化，最终传回光子。

探索量子世界就要创造一些极端条件，比如改变温度、压强、磁场等这些基本物理参数来实现丰富多样的物理现象。

比如说，整数量子霍耳效应和3He超流的发现都是依靠极低温和强磁场，激光冷却原子依靠极低温，分数量子霍耳效应靠极低温强磁场，化学反应的动力学是超快的激光，玻色爱因斯坦凝聚是极低温，那么超导超流的理论，另外是超快激光里的光速的理论，综合极端条件在物质科学研究当中应用就是对信息、能源、材料这些科学有辐射作用，是我们在研究的，是物性的研究和材料的研究，是物态变化过程的研究，这些研究表现影响到信息科学、能源科学和材料科学。

极端条件对超导研究有极大的重要性，超导现象本身就是在低温下发明的。

1908年实现了氦液化的研究，1911年发现了超导现象，后又发现超导的抗磁性，在高压和插磁合成了超导体，加压后可以提高超导的转变温度。

现在转变温度最高的超导体都是在高压下，或者是高压下合成的，或者在高压下表现出来，然后可以利用超快的方法来进行这些物性的研究掌握一些我们原来所