中國又攻克世界級難題

中國又攻克世界級難題

大家都知道中國在量子通信技術領域保持着全球領先的地位為最早建成量子通信網的國家也是發射量子通信衛星的國家目前我們在這一領域依然保持着領先地位2019年初我們又發佈了一個好消息中國又攻克世界級難題在基礎實驗中發現了量子反常霍爾效應現象。大會 這一成果在2019年1月8日的2018年度國家科學技術獎勵大會上「量子反常霍爾效應的實驗發現」榮獲國家自然科學獎一等獎。量子技術

通常來說普通導體中電子處於無規則運動的狀態這中電流在傳輸中會存在能量損耗的原因所謂霍爾效應就是對電子施加外磁場及低溫等條件下可以約束電子的運動讓電子不再無規則活動。那麼在一種特殊的、磁性摻雜的拓撲絕緣體中不加外磁場也可以觀測到霍爾效應這就是反常霍爾效應。以上的解說可能有點難以理解那麼簡單一點說中國在量子技術領域又取得了啥成就?我們發現了一種新的量子應用技術領域可能會對電子技術帶來革命性的影響。

發展變化 目前的電子系統設備都存在散熱的問題這就是由於電子的無規則運動如果利用霍爾效應可以約束電子運動那麼等於大幅度降低了能量損耗可惜它需要施加壓力較強的磁場等條件限制了應用。如果能應用反常霍爾效應不需要施壓磁場的優點那麼就可以進一步縮小體積與重量了。也許利用這一技術克服目前計算機發熱耗能等問題為半導體工業帶來又一次的革命未來也許會出現全新的晶片技術。

研究工作 這一發現領先全球不必說我們早在2009年就開始研究工作2013年就在試驗中發現了它如今獲獎不僅僅是表彰有關有功人員更表明我們在相關研究中已經有了不小的認識。一旦投入應用堪比原子彈首爆原因就在於其所能帶來的效果是非常顯著的主要就在於它可以應用晶片技術領域等研發全新的計算機系統。考慮到我們在量子計算機技術等領域的研究進展也許伴隨着這一技術的突破也就可以造出:量子晶片了讓巨型計算機系統可以變得像筆記本一樣輕便。

模型 未來在晶片領域別想再難為我們了我們可以利用其新發現在新一代晶片的領域取得全球領先的地位別人可能也能發現這一現實搞定相關的材料等可是我們要搶先動手將有望領先於別人即便只是領先兩年但是在電子技術領域可能意味着至少一代代差這將讓我們佔據非常大的領先優勢。1月8日上午2018年度國家科學技術獎勵大會隆重召開。國家自然科學獎一等獎為薛其坤院士團隊完成的"量子反常霍爾效應的實驗發現"。

量子霍爾效應是整個凝聚態物理領域最重要、最基本的量子效應之一。它是一種典型的宏觀量子效應是微觀電子世界的量子行為在宏觀尺度上的一個完美體現。量子霍爾效應在凝聚態物理的研究中佔據著極其重要的地位。它就像一個富礦一代又一代科學家為之着迷和獻身他們的成就也多次獲得諾貝爾物理獎。

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然而在量子霍爾效應家族裏還有一個不需要外加磁場的量子霍爾效應——"量子反常霍爾效應"。2013年3月14日美國《科學》雜誌在線發表了一項研究成果中科院物理所和清華大學物理系組成的團隊合作攻關經過近4年的研究利用分子束外延方法生長出了高質量的Cr摻雜(Bi,Sb)2Te3拓撲絕緣體磁性薄膜並在極低溫輸運測量裝置上成功觀測到了量子反常霍爾效應引起了物理學界巨大反響。著名物理學家、諾貝爾獎得主楊振寧稱讚其是諾貝爾獎級的成績。△2013年4月12日《科學》雜誌在"展望"欄目刊登美國新澤西州立大學物理與天文系教授Seongshik

Oh題為"完整的量子霍爾家族三重奏"的文章對實驗發現量子反常霍爾效應等進行評述。(圖片來源:science) 那麼什麼是量子反常霍爾效應?對它的研究為什麼引起世界各國科學家的興趣?

它的發現有什麼重大意義? 電子一般以無規則運動的狀態存在於大自然中因此電流在傳輸中會存在能量損耗的現象而霍爾效應可以成功地約束電子的亂跑亂竄將電子限制在一側流動。然而科學家研究發現在一種特殊的、磁性摻雜的拓撲絕緣體中即使不加外磁場也可以觀測到霍爾效應這種零磁場中的霍爾效應就是反常霍爾效應。

上述成果里提到的拓撲絕緣體是一類神奇的物質它長著絕緣體的心卻披着一身導體的皮。它有着優異的性能可能會對當今的電子技術帶來革命性的影響尤其是量子反常霍爾效應的發現使其應用前景十分誘人。金屬、絕緣體和拓撲絕緣體的關係(圖片來源:中國科普博覽) 科研團隊首次通過理論計算預言了新型的第二代拓撲絕緣體材料體系Bi2Se3Bi2Te3和Sb2Te3並深入研究了他們的性質。

2010年科研團隊從理論上提出Cr或Fe磁性離子摻雜的拓撲絕緣體Bi2Se3Bi2Te3和Sb2Te3等是實現量子反常霍爾效應的最佳體系。2013年他們克服了薄膜生長、磁性摻雜、門電壓控制、低溫輸運測量等多道難關製備出了高質量的拓撲絕緣體磁性薄膜成功地觀測到了量子反常霍爾效應引起巨大轟動。量子反常霍爾效應具有廣闊的應用前景。長時間使用計算機時會遇到計算機發熱、能量損耗、速度變慢等問題這是因為常態下晶片中的電子運動沒有特定的軌道它們相互碰撞從而發生能量損耗。

量子霍爾效應可以讓電子在各自的跑道上"一往無前"地運動但它的產生需要非常強的磁場相當於外加10個計算機大的磁鐵這樣體積龐大且價格昂貴顯然不適合個人電腦和可攜式計算機。而量子反常霍爾效應的美妙之處是不需要任何外加磁場即可實現電子的有序運動更容易應用到人們日常所需的電子器件中。量子反常霍爾效應可在未來解決摩爾定律的瓶頸問題它的發現或將帶來下一次信息技術革命我國科學家為國家爭奪了這場信息革命中的戰略制高點。(本文中標明來源的圖片均已獲得授權)

按此前慣例2015年度國家科學技術獎擬於2016年1月在人民大會堂舉辦頒獎典禮。從目前公佈的初評結果可預判若本次自然科學一等獎終有得主該榮譽將花落「多光子糾纏干涉度量學」。因為該項目是本年度唯一一個入選該獎項等次的初評項目。據科技部官網此前公佈的信息顯示2015年度入選自然科學一等獎初評的項目僅有「多光子糾纏干涉度量學」。

該項目推薦單位是安徽省、中國科學院。據介紹該項目組系統地發展了多光子糾纏干涉量度學並將之創新性地應用於量子通信、量子計算等多個研究方向取得了廣域量子通信和光學量子信息處理等領域的系統性關鍵突破;在此基礎上將量子保密通信技術帶入現實應用。自然科學獎作為國家科學技術獎五項獎項之一為中國自然科學領域的最高獎意在獎勵那些在基礎研究和應用基礎研究領域闡明自然現象、特徵和規律做出重大科學發現的中國公民。此前華羅庚、吳文俊、錢學森等均獲此殊榮。

何以量子學如此備受期待與關注甚至在該技術遠未達到商用之時就被A股突襲炒作一番? 摩爾定律顯示半導體電晶體的尺寸開始越來越小在達到納米級後電子的運動規律不再遵循傳統的經典電動力學;與此同時晶片的安全性變得越來越重要人們開始尋求一種在原理上可以無條件安全的通信模式;量子力學在解決上述問題中有望發揮重要作用這主要顯示在量子通信、量子計算、量子精密測量三個方面。在量子通信領域中科院院士、中科大副校長潘建偉團隊希望通過3-5年努力解決基於中繼量子通信的問題初步開展星地量子實驗;通過10年左右的努力構建高速率實用化的廣域化的網絡。

基於密鑰分發本身進展緩慢等原因量子通信還處於實驗室階段。目前中科院等團隊於2012年在合肥構建了一個覆蓋6000平方公里的實驗網基本證實可滿足萬用戶密鑰分發的安全需求;並構建了基於量子通信的高安全通信保障系統;中科大正在跟有關單位合作推動在金融、國防、信息安全方面的應用該網絡將在2016年底全線開通希望不久的將來投入運營和使用。此外中科院啟動了「量子科學實驗衛星」先導專項預計衛星2016年上半年發射用光纖做城域網用衛星做廣域網在國際上率先實現高速星地量子通信。上市公司層面衛士通大股東中國網安已佈局、開展「量子密碼」的相關研究。

中國網安依託中國電科30所側重信息安全建設領域資料顯示早在2012年12月20日中國電科就與中科院簽署了戰略合作框架協議雙方約定在量子計算、太赫茲技術、納米技術、空間技術以及信息學、現代計算學等方面開展前沿技術探索研究。衛士通是國內規模最大的信息安全企業之一是自商密資質評定以來連續獲取產、銷、研定點單位全部三項資質唯一一家企業也是國內唯一一家同時擁有涉密、商密領域最高級別資質的信息安全企業。量子計算仍處於早期發展階段像經典計算機那樣具有通用功能的量子計算機最終能否成功對整個科學界還是個未知數。潘建偉希望2-3年內實現20-30個量子比特的相關操縱;10年左右實現50-100個比特的量子相關操縱就可以做一些超級計算機做不了的事情了。

量子的模擬也許在5-10年就會有很好的結果出來。目前看來量子精密測量是有望最快實現經濟效益的領域。量子精密測量可以廣泛用於時間、磁場各種物理學的測量量子導航儀如果精度達到10的負12,100天後的精度達到米的量級就可進行自主導航。在應用方面利用量子模擬等技術可實現潛艇的自主導航、飛行器的自主導航等。


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