神奇的量子世界:对科学路人转粉,我们需要更多的薛其坤

如果说科学是阳春白雪的,那么诡异玄妙的量子世界无疑是个中最令人敬而远之的领域之一。著名物理学家尼尔斯·玻尔曾说过,如果谁不对量子力学感到惊奇,那么他就根本不懂量子力学。

然而,首届未来科学大奖物质科学奖得主、清华大学副校长薛其坤教授却凭借在10月15日未来论坛科技创新峰会上的主旨演讲——《神奇的量子世界》收获了大批粉丝,让无数人瞬间“路人转粉”。

2016年未来科学大奖-物质科学奖获奖人,清华大学物理系薛其坤

事实上,只要你在9月19日首届未来科学大奖新闻发布会上听过薛其坤教授在电话连线环节中的发言,就一定会觉得,被科学家圈粉实在是再自然不过的一件事。学术界的专业人士自不必说,即使是象牙塔外的“吃瓜群众”也每每能被科学家们的率真所深深打动。

萌萌哒的科学家

9月19日,首届未来科学大奖在京召开新闻发布会,正式公布了获奖者名单。清华大学教授薛其坤因“利用分子束外延技术,在对奇特量子现象的研究中取得了突破性的发现”获得了首届物质科学奖。分子束外延生长是一种先进的薄膜生长方法,能在材料衬底上一层一层地生长单晶薄膜。他和合作者制备了多种高质量的单晶薄膜材料,这使得他们于2012年首次发现量子反常霍尔效应和在钛酸锶衬底上的单层铁硒高温超导现象。这两个发现已被许多研究小组重复出来,并在全世界范围内激发出更多的相关研究活动,有望进一步提升量子反常霍尔效应和界面超导的临界温度,从而具有更大的实用价值。

首届未来科学大奖-物质科学奖获奖者薛其坤成就介绍

获奖结果公布后,监督委员会主席高西庆现场电话连线薛其坤。薛教授激动地称,未来科学大奖意义重大,在中国弘扬科学精神、建立一个比较公正、公平、透明的评审制度方面是一个创举,将会大大促进国家科研体制改革,并同时表示,会继续努力走得更远。作为获奖感言,这似乎已经足够完美了。然而出乎所有人意料的是,在挂掉电话之后,薛教授竟然又主动打回来,补充强调企业家创业不易,对大奖捐赠人们表达了由衷的谢意。


从05:33起为现场连线薛其坤谈话内容

没有精致的措辞,也没有官方的腔调,这份近乎“憨厚”的朴实让在场众人忍俊不禁的同时,也让所有人感叹:科学家们真是最可爱的一群人。《未来科学大奖获奖者卢煜明、薛其坤:让世界更美好,他们说到做到》更多未来科学大奖解读:www.yangfenzi.com/tag/futureprize

厉害了,wuli薛大大

10月15日未来论坛科技创新峰会上的主旨演讲是薛其坤获奖后的首次公开亮相,许多人因此慕名而来,而薛教授亦不负众望,将挑落欧姆定律的神奇量子世界讲得深入浅出,妙趣横生,连台下的小朋友都咬着手指头听得津津有味(薛教授演讲内容图文及视频版不日推出,敬请期待)。有热心“迷妹”边听讲边为偶像“wuli薛大大”做了一套照(表)片(情)集(包),当天便刷爆了朋友圈:

神奇的量子世界:对科学路人转粉,我们需要更多的薛其坤

神奇的量子世界:对科学路人转粉,我们需要更多的薛其坤

photo@Ariel.Pei

果然每个科学家心中都住着一个段子手。一本正经的科学家们high起来也是没谁了。

当然,薛教授也有严肃的一面。在对量子世界的未来进行展望时,薛教授动情地说道:“在量子世界,一定还存在着许多许多未知的奇妙现象,它们可能远远超出了我们的想象力。但是,只要我们敢于想象、乐于好奇、善于挖掘,也许若干年后它们就会回眸转身,出现在灯火阑珊处,甚至会造福于我们,使我们的技术产生变革,使我们国家科技变的更加的强大,甚至使我们人类的生活变得更加美好,正如未来科学大奖的初衷一样。所以我们生命不息,想象不止,追求无涯!”更多薛其坤揭秘:www.yangfenzi.com/tag/xueqikun

神奇的量子世界:对科学路人转粉,我们需要更多的薛其坤

薛教授说未来科学大奖为科学家们注入了极大的正能量,而科学家们的肯定对我们来说,又何尝不是莫大的鼓舞。推动科学,成就未来,这简简单单的八个字是期许,更是使命。科学赐予人类最好的礼物就是使人相信真理的力量。我们愿与越来越多的人共同分享这份礼物,见证科学的崇高与伟大。

薛其坤还说,作为首届未来科学大奖的获得者,今天能站在这样一个崇高的舞台非常的荣耀,也非常的激动。在我正式演讲之前,我想代表我本人,也代表全国广大科技工作者,对未来大奖的捐赠人士,对未来论坛的设立者,以及为这个大奖辛勤工作的科学家委员会表示衷心的感谢,谢谢你们!我觉得未来论坛的设立,科学大奖的设立体现了你们的历史担当;体现了你们为中华民族科学发展作贡献的一个壮举;体现了你们营造一个向上的科学氛围,营造一个追求科学,热爱科学氛围的力作。我想,你们做的这是一个事业,你们开创了一个道理。我们国家正处在建设一个科技强国,从第三世界向第一世界迈进的关键时刻,所以你们做的这个事业,过十年、二十年、三十年之后有可能成为一个事件,标志着中国科学,中国的企业家,广大的中国人走向自信的一个标志,让我们记住这个历史的时刻。

我这次获奖的重要内容是实现了量子反常霍尔效应,使经过了133年以后,随着国家的科学发展,我们国家的强大才走到了今天,从这个角度去看还是非常的不容易,这就是刚才我在开始的时候为什么讲你们做的事业是一个壮举,是一个里程碑性的工作,你们在这个关键的时刻给我们科学家提供了非常好的鼓励。

今年的诺贝尔物理奖,1983年提出的拓扑相变和拓扑物理的理论,三位科学家获得了今年的诺贝尔物理奖,10月4日诺贝尔评奖委员会详细介绍诺贝尔奖的内容复制在这儿,评奖委员会内容介绍中,把我们量子反常霍尔效应作为拓扑物质相最重要的发现写到这个介绍里了,虽然我们做出了量子反常霍尔效应不是沿着当时理论提出的,但是我们非常自豪,这一次作为最重要的拓扑物质相或者拓扑物质态写在了上面,说明我们实验工作水平已经达到了这个地步,也可以说我们的实验发现推动了部分科学家拿到了这个奖。

这一次大奖我非常荣幸能作为第一个获奖人,这将对我以后的发展注入了原子弹一样,核反应堆一样的动力,虽然我已经50多岁了,我现在的心年轻了20多岁,我会继续努力。这两个成果的获得有以下几点,有高超的,甚至炉火纯青的实验机能,作为一个优秀的物理学家,你要有优秀的,对学术前沿把握能力,尤其你对团队进行攻关。第二,客户的工作作风,我们四年坚持。第三,因为牵扯到不同的测量,你需要有优良的团队精神。第四,作为更重要的追求科学皇冠上明珠的科学家,你要敢于创新的魄力和勇气。虽然我当时敢于挑战权威的理论想法最后没有完全被证实,但是你在这时候要敢于从现在理解的只是范围内有一些完全创新的思想,这一点上你还是要有点勇气,否则你可能被大腕们打下去就起不来了,你没有这个功底和水平,光胆大妄为就是无知无畏。

最后我做一个展望,我试图用半个小时跟大家展示一下量子世界是多么的奇妙,而且对于我们未来得技术,对于我们国家的经济发展,甚至国家的强大,量子力学,量子物理都会起到非常重要的作用。做一个展望,在量子世界,一定还存在着许多许多未知的奇妙现象,它们可能远远超出了我们的想象力。但是,只要我们敢于想象、乐于好奇、善于挖掘,也许若干年后它们就会回眸转身,出现在灯火阑珊处,甚至会造福于我们,使我们的技术产生变革,使我们国家科技变的更加的强大,甚至是我们人类的生活变得更加美好,就像这次大奖设置的理想一样,所以我们生命不息,想象不止,追求无涯!

最后,感谢我长期的伙伴贾金锋、马旭村、何珂、王立莉、陈曦、张青哲等。感谢国家给我们提供非常好的条件,最后再次感谢未来论坛给我提供的机遇,感谢未来科学大奖对我工作的评奖,最后最重要的感谢,捐赠设立这个大奖的有识之士,他们给我们科学家注入了极大的正能量,我深深的感谢你们,谢谢大家!

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  1. 总的来说,量子计算的好处有3点。

    1. 量子计算的计算能力要比经典计算要强。但是至于强多少,现在没有严格的证明,这一点我已经说了很多次了。2^N只是人们构想的。量子计算可以到达的计算空间是post-BQP,至于这个post-BQP到底有多大,没有人知道。
    2. 量子计算机的速度要快。我们只是已知所有的经典计算都可以有效的变成量子计算。至于量子计算能快多少,我们也不知道。是不是有量子算法可以有效的解决NP-Hard,甚至有效的解决P-space,甚至更快。这些都还有待研究。
    3. 量子计算节能。由于量子计算都是unitary operator(幺正),是可逆的计算。也就是说只有在一次量子计算结束时(测量量子态时)才会出现熵增。这个也是量子计算在物理意义上的优势。经典计算永远不可能有这个优势。

    那么,量子计算现在有什么应用呢。现在几乎没有。原因是现在通用性的量子计算实现上还有很多的困难。就现在来看只有D-wave一家公司有商业化的量子计算机。只是现在只能计算的Ising model的ground state出来(但,不要小瞧这个,这个也是NP-Hard问题了)。尽管,现在D-wave好像没有多大用处,但是可以证明D-wave用的量子算法也是通用的,也就是说D-wave有一天可能会改造成通用的量子计算机出来。

    说到了硬件实现上了,我就引用自己在知乎的回答量子计算机的工作原理如何简单解释? – huang莱因哈特的回答。这里有更加详细的关于量子计算机硬件及其实现的方法的讨论,这里不重复了。

    那么,假设一天通用型的量子计算做出来了。首先可以知道的是,所有银行里,政府中,甚至是军队中用的RSA密码的破译将得到有效的解决(shor algorithm)。这不亚于原子弹对世界格局的影响。还有很多算法的加速可以改变世界,这里就不一一列举,有兴趣的同学可以看看http://math.nist.gov/quantum/zoo/,这里列举一些已知的量子算法加速经典算法的例子。

    当然了,量子计算做出来了,那么量子通信的元器件也能做出来了。当然这属于量子通信改变世界的部分了。

    再说一个有趣的,前面没有人提到的方向吧。最近有些论文有提出黑洞会喷射出信息(详见霍金辐射),但是这些信息的复杂度可能只能用量子计算来破译出来。也就是说,掌握了量子计算的人类可以破译更多宇宙中有效的信息。(当然这些只是猜想)

  2. 商用级量子计算机具有难以估量的学术价值和工业价值。
    对人类文明来说,它是真正的一大步。

    我想题主更在意是其工业价值。
    最直接的应用当然是,各种量子算法终于可以运行,可以商用化了。

    目前为了运行某些量子算法,我们只能在实验室里造出特定的量子计算结构。而且这种结构一般都费时费力费钱。
    一台计算机上可以运行各种程序在大多数码农眼里应该是显然的。但要造出一台可以实现各种量子算法的计算机非常困难。

    假如现在我们可以造出商用级量子计算机,我们就可以在它上面运行各种量子算法。

    1.这时,从Google这类行业顶级公司开始,几乎所有经典算法都会被其对应的量子算法替代。量子算法在处理许多任务时都会比经典算法有极大提升。
    量子计算机的确是只在处理某些运算时有优势,但是这些运算实在是太基本了,以至于无处不在。
    比如说几乎无处不在的希尔伯特空间,只要遇到它,基本上都有对应的量子算法。
    所以实际上,量子计算机可以运用在许多类型的任务中。所有大公司都不会也不能错过这种技术。

    2.一些经典算法不可能完成的任务,量子算法却可以轻松搞定。
    比如说,用量子算法的Google可以在“不知道”你的问题的情况下,就给出搜索结果。你的搜索记录将完全保密,连Google都不保存。这是由于量子不可克隆原理。
    还有很多违反直觉的任务可以完成,因为量子力学本来就是违反人类直觉的。

    3.计算能力的巨大提升+不可能任务的可能化=…?
    这种时候就不要吝啬自己的想象力了。

    想想机器学习在二十年前的落寞和现在的春风得意。二十年前机器学习在工业界很难找到使用价值,因为那时的计算能力实在太烂了。学习算法在train set测试一下都要几个月的话,谁还有时间调参数啊。
    这二十年间,计算机结构不变的情况下,机器学习就已经强大了这么多倍。
    想一想,假如我们获得比现在强大的多的计算能力,一个强大到我们无法想象的带量子任务处理的强AI是不是指日可待了?

    【Google去年5月和NASA合建了Quantum AI Lab. 量子人工智能,听名字就很帅啊!】

    当家家户户都有一台量子计算机,互联网又会进化成什么形态?

    一句话,商业级量子计算机会成为未来科技的引擎。
    就像蒸汽机是工业文明的象征一样,量子计算机带来的计算能力的突破将会有类似的意义,它是人类迈过那7nm鸿沟的桥梁。

  3. 鄙人见识浅薄,还请诸位大神指正。

    量子有一种很神奇的特性,也就是量子的叠加态。一个粒子,在我们观测之前,它处于又左旋又右旋的状态。但是我们观测以后,我们只能得到要么左旋,要么右旋的结果。换句话说,在观测的一瞬间,它「塌缩」了。

    对于量子处于叠加态的证明,可以搜索一下托马斯·杨的「双缝干涉实验」中,观测手段影响光的波粒二象性的表现,以及「延迟决定实验」中,在一切结束后再对过程进行决定的实验。可以说,量子论打破了经典物理学中的决定论和定域性,实际上,不存在一个确定的「历史」,而取决于我们观察的方式。同时,不同的观测方式甚至可以导致不同的历史。

    把它放到量子计算机上,这意味着几个好处。

    第一,是指数级增长的计算能力。经典计算机中,一个经典比特只能存储一位信息,要么是 1 ,要么是 0 。但是在量子计算机中,这个比特可能是 0 ,也可以是 1 ,关键是它们同时参与了计算,而只在你观测时,才会塌缩成一个完全确定的解答。假如是 10 经典比特,那么相当于 10 位数据参与运算。而 10 量子比特,就是 2^10 ,也就是 1024 位数据参与了运算,这是多么巨大的差距。

    第二,假设现在你的手放在键盘上,准备进行 Google 搜索。不可思议的地方在于,甚至在你想好要搜什么之前,量子计算机就可以完成计算!乍看起来这样非常不合常理,但是实际上,在你打字时,后台就可以开始进行计算。这个计算可能是各种搜索关键字的叠加态,而在你打好字按下回车时,这个叠加态一瞬间塌缩为你要的关键字,你的搜索早已运算完毕了。

    第三,我们现在计算机的主要热量,来源于我们对存储器的不断读写和重置。假设我们的存储器内有 0 和 1 组成的杂乱无章的数据,现在我们全部清零。这一刻,我们的存储器显然变得更加「有序」,即无序程度「熵」的降低,而根据热力学定律,这些熵就以热量的形式散发出去。因为微观粒子的幺正性,量子的运算是一种完全可逆计算,信息不会丢失而得到重用,几乎不会有热量的散失。

    所以说,届时在一块手表上实现超越一切经典计算机的算力,并且超低功耗和热量,的确不是不可能的。我们可以期待通用量子计算机普及的时候,人类文明会迎来多大的飞跃。

  4.  我们常说,隔行如隔山。当你问一个文科生,什么是“量子力学”,什么是“量子反常霍尔效应”时,我相信,大多数人会和我一样一头雾水。但在今天,真正的物理“大神”告诉你:其实物理学也可以很Fashion。
      
      12月10日,“iTsinghua学堂——名师大家进中学”系列巡讲活动再次走进浙江。应杭州二中邀请,清华大学副校长、中国科学院院士、首届未来科学大奖获得者薛其坤教授在杭州大剧院开展讲座,讲座的主题是《量子物理研究经历与体会》。这个讲座被称为杭二中史上最长的一课,历时2小时8分钟。在课堂结束的那一刻,相信很多学生和小编一样,有种“新世界就此打开”的奇妙感。

      以后,要是有人问你,量子力学真的很晦涩难懂吗?你完全可以用薛其坤院士的原话反驳,分分钟让你爱上物理。
      
      “以从北京到杭州的旅程做比喻,在牛顿三大定律中,物体是连续运动的,每时每刻在哪个位置都是可以确定的。但是量子力学中,量子的运动轨迹不是连续的,你上一秒在北京,下一秒就能‘空间穿越’到天津。在学界内,这也叫‘量子穿墙术’……”

      要是有人问你,量子力学这么“高大上”,和老百姓能扯上什么关系?你也可以借用薛其坤提到的“量子反常霍尔效应”。这也是薛其坤领衔、清华大学物理系和中科院物理研究所组成的实验团队在美国《科学》杂志上发表的研究成果。
      
      “我们平常使用计算机时,会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而‘量子霍尔效应’能对电子的运动定‘规矩’,让它们在自己的专属跑道‘跑’,这样‘跑’得更快也更省劲。但是,‘量子霍尔效应’的产生需要非常强的磁场,不便于日常应用。‘量子反常霍尔效应’的美妙之处就是不需要任何外加磁场,在零磁场中就可以实现量子霍尔态,更容易应用到人们日常所需的电子器件中。”

      我们不是经常感叹手机用电好快,电脑速度慢吗?有了“量子反常霍尔效应”,这些都能大大改善。
      
      2个多小时的课,提问互动就花了半小时。不少学生的提问让小编忍不住感叹,现在的孩子知识储备太牛。科学于生活,往往一个变化就能产生“蝴蝶效应”。现有的物理原理已经让人感觉甚为奇妙,尚未探索的物理世界更让人期待。

      就像薛其坤所说,“现在我们还能想象出,物理学的应用能让电脑运行速度更快,能用电更少,传输或下载文件更快等,但是再过十年二十年,甚至更长一点,人类的未来生活会变成怎样,绝对超过我们的想象。”

      此次讲座让杭二中的师生们受益匪浅。“二中学生能够和这样的大家面对面,能够近距离感受到‘大家’的风采,也许将来二中学子也会有人能够走进这样的精彩世界。通过文化传导,科学传播,让大家认识什么是魅力清华。”二中校长叶翠微说。

      此次报告会是清华大学iTsinghua学堂项目活动之一。今年4月开始,清华大学推出iTsinghua学堂项目,首批iTsinghua学堂讲师共70余名教授,包括院士近10人,他们走进全国各省市自治区的中学,每年开设100场左右的讲座,为中学生讲述学科前沿、专业发展、清华故事与大学文化。自2016年秋季新学期开始,清华大学招生办公室携手清华校企——启迪教育,为iTsinghua学堂讲座活动广播全国添柴加薪。