量子技術(shù)的科普
——記廈門衣康納米科技有限公司創(chuàng)始人鄭金水

《祖國》/楊昭文

有人認(rèn)為量子科技會(huì)對(duì)人類社會(huì)產(chǎn)生顛覆性影響再正常不過了。量子最早由M·普朗克在1900 年提出，是現(xiàn)代物理的重要概念。普朗克提出：像原子作為一切物質(zhì)的構(gòu)成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位。

通俗地說，量子就是表現(xiàn)出某物質(zhì)或者物理量特性的最小單位！換句話說就是將物質(zhì)不斷分割，直至存在最小的不可分割的基本單位，那么這個(gè)物理量就是量子化的，并且我們將最小單位稱之為量子。

為什么說量子科技會(huì)顛覆人類社會(huì)呢？因?yàn)榱孔恿W(xué)本來就是顛覆人類認(rèn)知的一種科學(xué)，應(yīng)用了這種理論的技術(shù)也很可能會(huì)產(chǎn)生令人意料不到的效果。

凡事涉及到能量的領(lǐng)域，都是很值得科學(xué)家的關(guān)注，也是未來人類生產(chǎn)生活必須重視的問題。量子科技既是新的機(jī)遇也是挑戰(zhàn)。

兩個(gè)沒有任何關(guān)系的量子會(huì)在不同位置出現(xiàn)完全相關(guān)的相同表現(xiàn)，這種現(xiàn)象稱之為量子糾纏。原本物理世界認(rèn)為光速是不可超越的，而量子糾纏的速度至少1 萬倍于光速，即有這樣一種可能，在宇宙的某個(gè)地方，距離我們幾萬光年外存在著和你毫無關(guān)系的量子，你動(dòng)他動(dòng)，他動(dòng)你動(dòng)，也可以簡(jiǎn)單理解為游戲服務(wù)器和被控制的游戲角色之間的關(guān)系。

鄭金水團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用量子技術(shù)研究

在許多現(xiàn)代技術(shù)裝備中應(yīng)用了量子力學(xué)原理,如太陽能發(fā)電、光刻機(jī)、核磁共振醫(yī)學(xué)圖像顯示、核彈等。量子理論在二十世紀(jì)初由普朗克、薛定諤、愛因斯坦等科學(xué)家提出并共同建立了理論體系。量子力學(xué)主要描述物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)、運(yùn)動(dòng)與變化規(guī)律的物理科學(xué),量子力學(xué)的發(fā)現(xiàn)引發(fā)了一系列劃時(shí)代的科學(xué)發(fā)現(xiàn)與技術(shù)發(fā)明。

鄭金水

二十一世紀(jì)將是量子科技在各領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的時(shí)代。我國已經(jīng)在量子通訊、量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域取得非凡成就,走在世界前列。量子科技在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域研究突破儼然是全人類最為期待的課題之一。我和我的科學(xué)家們已經(jīng)在這領(lǐng)域工作了二十年,非常榮幸有機(jī)會(huì)分享這方面的信息。

量子的魅影

進(jìn)入21 世紀(jì)，量子領(lǐng)域的新發(fā)現(xiàn)、新理論、新技術(shù)密集涌現(xiàn)，預(yù)示著第二次量子革命已進(jìn)入起跑期、加速期?！蹲匀弧冯s志評(píng)論認(rèn)為：“第二次量子革命的戰(zhàn)鼓已敲響！”

“第一次量子革命，人們只問量子理論能讓我們做什么，不去問為什么，是被動(dòng)的觀測(cè)與應(yīng)用。”郭光燦說，第二次量子革命則是主動(dòng)利用量子特性，開發(fā)出量子通信、量子計(jì)算和量子精密測(cè)量等創(chuàng)新應(yīng)用。

簡(jiǎn)單來說，這些應(yīng)用的革命性在于——量子計(jì)算可以令人類的運(yùn)算能力實(shí)現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，量子通信可以在理論上做到通信的絕對(duì)保密，量子精密測(cè)量可以將探測(cè)精度從微米級(jí)提升至“原子級(jí)”。

光照射到貴金屬上,引起物質(zhì)的電性質(zhì)發(fā)生變化,這類光變致電的現(xiàn)象被稱為光電效應(yīng)。科學(xué)家愛因斯坦創(chuàng)造性解釋了光電效應(yīng)理論,因此榮獲了1921年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。量子效應(yīng)通常描述微觀尺度下的量子化現(xiàn)象,大部分也是描述“能量”與“波”的量子化,如普朗克的黑體輻射、光電效應(yīng)等。常見有①光電效應(yīng) ②康普頓效應(yīng)③量子穿隧效應(yīng)④原子能階的量子化。

生活中人們一提到量子就覺得它離我們很遠(yuǎn),其實(shí)它一直就在我們周遭發(fā)生,只是量子實(shí)在太細(xì)微,而被高大粗的人類忽略了。當(dāng)物質(zhì)到極小,如電子或比電子還小的,譬如光子等我們通稱為量子,量子具有許多異于傳統(tǒng)物理學(xué)的特質(zhì),譬如兼具有波、粒態(tài),量子態(tài)的特性是對(duì)能量的吸收或釋放是不連續(xù)的具有能階性的,人類利用這些特性應(yīng)用開發(fā)了量子科技。

量子科技的材料技術(shù)

石墨烯與納米碳管組合裝置之場(chǎng)發(fā)射主要機(jī)制為電子在高aspect ratio 納米碳材中,利用量子穿隧效應(yīng)(quantum tunneling),而穿隧到真空中。在發(fā)射之應(yīng)用上,主要是利用沿著納米碳管之管軸上之電場(chǎng),使電子發(fā)射至真空中。由于碳管之非常高aspect ratio , 導(dǎo)致非常高之電場(chǎng)增益效應(yīng)(field enhancement),使得累積表面電荷之場(chǎng)發(fā)射起始電壓大幅降低。由于納米碳管之微小半徑,使得作用在碳管之電場(chǎng)變得相對(duì)大。

至此鄭金水團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn)電子的產(chǎn)出與輸送體內(nèi)的兩大課題,特別是石墨烯與納米碳管組合裝置場(chǎng)發(fā)射技術(shù)研發(fā)成功,鄭金水團(tuán)隊(duì)榮獲國家五項(xiàng)醫(yī)學(xué)發(fā)明專利,相關(guān)學(xué)術(shù)論文發(fā)表在期刊上。

森林里的負(fù)氧離子對(duì)人體的助益,主要是氧分子所攜帶的電子。綠葉釋放電子是以氧分子為載體進(jìn)入人體發(fā)揮效應(yīng)。人工制造電子及如何輸送進(jìn)入人體內(nèi)一直是科技界的難題。

鄭金水科研團(tuán)隊(duì)?wèi)?yīng)用石墨烯與納米碳管裝置解決了電子場(chǎng)發(fā)射輸送的世界難題,攻克了量子科技在醫(yī)學(xué)上應(yīng)用的難關(guān)。該技術(shù)難度極高,納米碳管只在一個(gè)角度發(fā)射電子才能進(jìn)入體內(nèi),固定碳管角度所用輔助材料極難提取,及微納加工工藝極為復(fù)雜,攻克了難題。

量子通訊應(yīng)用兩個(gè)量子系統(tǒng)頻率一致無論多遠(yuǎn)都會(huì)產(chǎn)生共振吸收交換信息,這種信息交換安全,除非頻率密碼不被攻破。量子計(jì)算機(jī)應(yīng)用量子的波粒二象性(疊加態(tài))極大的提高算力。量子科技正在各個(gè)領(lǐng)域熱烙研發(fā)中,鄭金水團(tuán)隊(duì)的科研成果對(duì)其他領(lǐng)域研究工作者在他們的研究中或許有所幫助。

二十世紀(jì)是量子理論研究階段,二十一世紀(jì)將是量子科技應(yīng)用的時(shí)代,量子科技大幕正在緩緩展開,全球各科研團(tuán)隊(duì)各國家力量正在布局發(fā)力,量子科技是第四次工業(yè)革命主戰(zhàn)場(chǎng)的制高點(diǎn)。鄭金水及其團(tuán)隊(duì)的科學(xué)家們將在量子科技領(lǐng)域繼續(xù)貢獻(xiàn)力量。