挑战7nm，光芯片有可能吗？

“光子计算机的最终目标是达到一千亿次每秒的运算速率，远远超越现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是改变人类未来生活方式的另一项重要的科技。”本文来自微信公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks），作者：王霆，题图来自：视觉中国

王霆：中国科学院物理研究所副研究员

今天跟大家分享一些关于微纳光学领域的前沿科学。

在切入微纳之光主题之前，我希望先跟大家分享一下我的个人经历，来说明我为什么走向微纳光学这个科研领域。

机缘巧合下，在我十几岁的时候，英国剑桥的St. Mary's School来北京招生，我去面试了，结果就去了剑桥。

去了之后特别惊讶，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，作为唯一一个亚裔，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——我的成绩非常好，这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分钟完成的作业，他们却需要花三个小时，可能还完成不了。

当时我的优越感怦然而生，这种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，我突然发现了一件算是晴天霹雳的事儿，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是学分制的算法，不是按照考试来算的，而是按照课业项目来算的。

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，你没有任何的指南、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，一切的东西都是原创性的。

这时欧美学生的优势就体现出来了，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。

我们所学的东西，都是被动的、被传授的；而他们不是，他们是主动地去寻求生活中细微的科学答案，这就体现出了特别明显的差别。

所以，我也一度非常彷徨，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关于量子点的实验。

量子点是微纳光学中一个非常典型的纳米颗粒，他展示这个实验之后，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。

量子点是什么

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。

量子点有三个特性：

第一个特性：它是非常小的原子颗粒，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。一千万分之一米这么小的一个原子团簇，这是它的第一个特性。

第二个特性：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材料。我们这里举一个例子，典型的就是碳，大块的煤块是三维的。

什么是二维？你可以想象一下，把石墨材料或者一个碳块，无限的横向切割，把它切成像生鱼片似的、非常非常薄的、只有原子厚度的薄膜，这个就是石墨烯。

一维就更直接了，那就是一个碳纳米管，它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一个材料体系内，你没有任何的自由空间，哪都去不了。

可以想象一下：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，所以它只是准零维，还不是零维，是接近零维的这么一个标准。这是量子点的第二个特性。

这两个特性结合在一起，量子点它有意思在哪里？

这两个条件产生了量子限域效应，是1961年日本的久保先生提出的久保理论，我们现在称之为“量子限域效应”。它的作用是什么？

任何物质缩减到非常小的一个纳米值，可能大家看到的非常大的一个铁块或者任何物体，当它缩小到一个纳米尺度的时候，它的电子能级会由连续变成分立。

就像图中所示，它从三维缩减到二维、一维、零维的时候，电子的能级逐渐变成离散型的。

离散型到底有什么用？举个简单的例子来说，在日常生活中看到的某一个物质是磁性的，缩到零维的纳米尺度之后，它可能变成导电的或者变成绝缘的；一个可能完全不发光的、黑乎乎的物质，当它缩小到零维空间的时候，它变成了发光材料、五彩斑斓。

这就是从三维变成零维结构之后，所谓光、热、电等等一系列的物性相互之间的转化。

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样的光学性质，马上我会给大家做一组实验。

在做实验之前，我先给大家变一个魔术，一个简单的魔术。

大家可以看到我这里有一瓶水，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。

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，我的右手拿着一个手电筒，其实就是一个泵浦的光，当量子点被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。

我们会将一系列硒化镉量子点融在有机溶液（甲苯）中，可能这些溶液看起来像白水一样的、或者有淡淡的一些颜色。

当我们将这些量子点放在紫外光中，它就会呈现出不同的色泽，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，会呈现出不同的色泽。

大家可以看到这当中不同的颜色，这就是量子点奇妙的地方，这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

硒化镉量子点（甲苯溶液）

那么，我问大家一个简单的问题：我们现在有三个标准的颜色，三基色。把红绿蓝三个颜色的溶液分别打开，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led，或者说是白光的发光原理。

我们把三基色（三种不同尺寸的量子点）融合在一起，它会成为未来的照明系统，可能会是我们利用的一个方向。

不同的尺寸的硒化镉量子点，给了我们不同的色彩。

另外还有砷化铟量子点，看着像一个个黄豆颗粒似的，这就是砷化铟。

这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中，可以用于制备激光器和探测器，因为它是在红外发光。目前来说，大家所使用的宽带、所有的光纤通讯中使用的探测器和激光器，很大比例都是使用这种量子点完成的，所以它也是我们光通讯中一个非常重要的材料。

量子点的应用

来具体的说一说量子点到底有什么应用。

三个应用方向：第一，“显示”。大家看到了色彩斑斓的颜色；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”。

首先说一下显示方向。左图中，我们将量子点和传统显示屏结合在一起；右图是屏幕制作完成之后所呈现的不同色彩，这样的屏幕色彩饱和度极其地高，有非常好的色泽度、显示度，而且它的功耗很低，也就意味着如果做成手机屏后，未来你的电池可能会用两天、会用三天。

这个专利已经被三星购买了，在开始大幅地量产，所以这是量子点最直观的一个应用。

然后介绍一下中长期的应用方向──光通信。

说到光通信，我就不得不说一说现在的电子通讯。上个世纪到现在，大家从用笔、用纸的年代，到现在用电脑到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，他发明了摩尔定律，是英特尔的创始人之一。

他在1970年提出了摩尔定律，即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 、II、III、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。大家可能已经意识到，现在这几年用的手机、电脑性能并没有那么高的增速。

我们现在是大数据时代，互联网经济蓬勃生长，无论是从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，光的速度比电要快的多，所以我们希望通过光子取代电子，成为新的信息载体。

谷歌建的一个数据中心，在近两年内已经投入了10亿美金，因为数据存储量不够。它目前的数据量达到了五个ZetaByte。

ZetaByte到底是一个什么样的尺度？通常一个手机存储空间几十G或几百G，这是1万亿个G。就这样还是完全没有办法满足我们现在的数据需求量，大部分时候是超载的。为什么？

因为所有的数据中心里，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处理和传输信息的速度。

那么我们需要做什么？首先就是采用光电模块，保留部分的电子芯片和光结合，采用一些光电模块，大幅提高数据中心的速度，这是我们的第一步。

第二步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光的晶体管，来可以完全取代所有的电子晶体管。大家就会得到“光芯片”。

最终大范围地实现光芯片集成，以后大家得到的可能就不是什么电子计算机了。我们要什么？光子计算机。

光子计算机究竟有什么样的作用呢？最终的目标是希望它能够达到一千亿次每秒的运算速率，会远远超越现在所有手机、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。

除了前两个应用方向，还有一个最重要的“量子计算机”。

现在有很多实现量子计算机的方式，包括冷原子、超导等等。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。

2017年中科大实现了8量子比特的这么一个光量子计算机，下一步是12量子比特，最终我们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？它的运算速率会达到现在全世界运算速率之和的一百万倍。

通过计算，我们不仅可以助力人工智能——计算人脑内的神经突触和细胞之间是如何沟通、如何交流的，还可以帮助探索外太空，可能会彻底改变地球的面貌。这些是量子计算机更长远的应用。

总而言之，微纳光学基本上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。

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！

本文来自微信公众号：格致论道讲坛（ID：SELFtalks），作者：王霆

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