在千萬分之一米尺度下改變你的生活

出品：中國科普博覽 SELF格致論道講壇

導語：有一種「點」叫量子點，它很小很小，比一千萬分之一米還小。日本有位科學家說，當物質小到某個尺度的時候，它就會變「性」，比如絕緣的變得導電、不放光的變得五彩斑斕，量子點就是這樣。然而你想像不到的是，這樣一種奇異的、微小的「點」，卻有可能徹徹底底改變我們的生活。在SELF講壇上，中科院物理所王霆為你打開量子點的神奇世界。

---嘉賓介紹---

王霆

中國科學院物理研究所副研究員

以下內容由王霆演講精編而成：

或許你熟悉什麼是量子，但量子點究竟是什麼東西？

第一，它是一個非常小的原子顆粒，一百納米尺度以下的原子團簇（即一堆原子）。它的尺度非常小，小於一百納米。而一百納米，其實只有一千萬分之一米。

第二，它是一個準零維納米材料，意味著在這樣一個空間或者材料體系內，沒有任何的自由空間，而要完全不動，它需要小到一個極限(小於原子尺度)。量子點還是個一百納米的原子團簇，所以只是准零維──接近零維的標準。

量子點它有意思在哪裡？

上述兩個條件結合產生「量子限域效應」──1961年由日本的久保先生提出──當任何的物質縮減到非常小的一個納米值時，它的電子能級會由連續的逐漸變成離散型的。

這個離散型到底有什麼用？舉個簡單的例子：你在日常生活中看到的某一個物質它是磁性的，縮到零維這個納米尺度之後，它可能變成導電的或者變成絕緣的；那一個完全不發光的、黑乎乎的物質，把它縮小到零維空間的時候，它變成了一個發光材料、五彩斑斕。這就是所謂光熱電等等一系列的物性──在從三維變成零維結構之後，它相互之間的一個轉化。

「量子點」如何呈現不同的色彩？

圖中是裝有硒化鎘量子點的有機溶液（甲苯），這些溶液在自然光下看起來就像白水一樣的或者有淡淡的顏色。當我們將這些量子點放在紫外光之後，它就會呈現一個什麼不同的色澤。原理是通過分散納米尺度，不同原子大小、不同尺度的納米顆粒它就呈現了不同的色澤。大家可以看到這當中的不同的顏色，這就是量子點它奇妙的地方。這也是我們剛才提到的「量子限域效應」。

現在這裡有三個標準的顏色──三基色──將這三種不同尺寸的納米顆粒混在一起，會有什麼樣的變化？它變成了白色！這也就是白色的led或者這些白光的發光原理。那把三基色（三種不同尺寸的量子點）融合在一起，就成為未來的照明系統，可能會是我們利用的一個方向。

另一個常見的典型──砷化銦量子點

砷化銦量子點被我們大範圍的應用到光電通訊當中，用作激光器和探測器的製備。目前所使用的寬頻、所有的光纖通訊使用中的探測器和激光器，很大的一個比例都是使用這種量子點完成的，所以它也是推動光通訊的一個非常重要的材料角色。

量子點的三大應用，改變未來生活方式

第一方向是「顯示」

可以看到上圖當中，將量子點和傳統的顯示屏結合在一起；下圖就是屏幕製作完成之後所呈現的不同的色彩，色彩飽和度極其的高，而且它的功耗很低──也就意味著如果做一個手機屏之後，未來你的電池可能會用兩天、會用三天，它有非常好的色澤度、顯示度而且功耗非常的低。相信在未來的可能iPhone8或者iPhone8S你可能就會見到這個技術。因為這個專利已經被三星購買了，在開始大幅的量產，所以這是近期量子點最直觀的一個應用。

第二個方向是「光通信」──中長段的應用方向

大家可以意識到現在這幾年手機、電腦並沒有增速，我們都知道我們現在是大數據時代、互聯網經濟蓬勃生長，大家對數據量的需求（無論從智能手機的發展開始還是人工智慧）是非常大的。但是用電子作為晶元、信息載體的這個方式，已經滿足不了我們的需求了。我們需要光子──大家都知道光的速度比電要快非常的多，所以我們希望通過光子取代電子，成為新的信息載體。

圖中這裡，是谷歌的一個數據中心，它目前的數據量達到了五個ZetaByte。我們通常說你拿一個手機16G的，那ZetaByte就是1萬億個G。這樣仍然完全沒有辦法滿足我們現在的數據需求量，大部分時候都是超載的。因為所有的數據中心裡頭大部分的信號處理還是採用電，在用電和電晶元之間採用光互聯，電的速度極度抑制了我們信息所能夠處理和傳輸的速度。而我們第一步要做的就是採用光電模塊，來大幅的提高數據中心的速度。第二步需要做需要採用光邏輯，以實現一個光的晶體管，如此完全取代我們所有的電子晶體管。大家就會得到一個「光晶元」。最終大範圍地實現光晶元的集成，那以後可能大家獲得的是光子計算機，而我們希望它能夠達到一千億次每秒的運算速率，會遠遠超越我們現在所有手機、電腦、iPad當中的電子晶元的運算速率。這會是未來改變人類生活方式的另一項重要的科技。

第三個方向是「量子計算」

如何使用光子去實現量子計算機？就是採用光子作為量子比特。在5月3號的時候，中科大剛剛實現了8量子比特的一個光量子計算機，未來下一步是12量子比特，最終我們會希望在十年內實現一百個量子比特。一百個量子比特的運算速率會達到我們現在全世界運算速率之和的一百萬倍。我們可以去計算「實現人工智慧」；計算人腦內的這些神經突觸和細胞之間是如何溝通、交流的。另外我們可以探索外層空間，可能會徹底地改變地球的面貌。

總而言之，王霆相信在未來的50年到100年微納光學可能會徹徹底底的改變所有人對信息的認知、對數據的認知以及大家的生活方式。

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