量子技術的科普
——記廈門衣康納米科技有限公司創始人鄭金水

《祖國》/楊昭文

有人認為量子科技會對人類社會產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，是現代物理的重要概念。普朗克提出：像原子作為一切物質的構成單位一樣，“能量子”（量子）是能量的最小單位。

通俗地說，量子就是表現出某物質或者物理量特性的最小單位！換句話說就是將物質不斷分割，直至存在最小的不可分割的基本單位，那么這個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顛覆人類社會呢？因為量子力學本來就是顛覆人類認知的一種科學，應用了這種理論的技術也很可能會產生令人意料不到的效果。

凡事涉及到能量的領域，都是很值得科學家的關注，也是未來人類生產生活必須重視的問題。量子科技既是新的機遇也是挑戰。

兩個沒有任何關系的量子會在不同位置出現完全相關的相同表現，這種現象稱之為量子糾纏。原本物理世界認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，在宇宙的某個地方，距離我們幾萬光年外存在著和你毫無關系的量子，你動他動，他動你動，也可以簡單理解為游戲服務器和被控制的游戲角色之間的關系。

鄭金水團隊應用量子技術研究

在許多現代技術裝備中應用了量子力學原理,如太陽能發電、光刻機、核磁共振醫學圖像顯示、核彈等。量子理論在二十世紀初由普朗克、薛定諤、愛因斯坦等科學家提出并共同建立了理論體系。量子力學主要描述物質微觀結構、運動與變化規律的物理科學,量子力學的發現引發了一系列劃時代的科學發現與技術發明。

鄭金水

二十一世紀將是量子科技在各領域廣泛應用的時代。我國已經在量子通訊、量子計算機領域取得非凡成就,走在世界前列。量子科技在醫學領域研究突破儼然是全人類最為期待的課題之一。我和我的科學家們已經在這領域工作了二十年,非常榮幸有機會分享這方面的信息。

量子的魅影

進入21 世紀，量子領域的新發現、新理論、新技術密集涌現，預示著第二次量子革命已進入起跑期、加速期。《自然》雜志評論認為：“第二次量子革命的戰鼓已敲響！”

“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，是被動的觀測與應用。”郭光燦說，第二次量子革命則是主動利用量子特性，開發出量子通信、量子計算和量子精密測量等創新應用。

簡單來說，這些應用的革命性在于——量子計算可以令人類的運算能力實現指數級增長，量子通信可以在理論上做到通信的絕對保密，量子精密測量可以將探測精度從微米級提升至“原子級”。

光照射到貴金屬上,引起物質的電性質發生變化,這類光變致電的現象被稱為光電效應。科學家愛因斯坦創造性解釋了光電效應理論,因此榮獲了1921年諾貝爾物理學獎。量子效應通常描述微觀尺度下的量子化現象,大部分也是描述“能量”與“波”的量子化,如普朗克的黑體輻射、光電效應等。常見有①光電效應 ②康普頓效應③量子穿隧效應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,其實它一直就在我們周遭發生,只是量子實在太細微,而被高大粗的人類忽略了。當物質到極小,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物理學的特質,譬如兼具有波、粒態,量子態的特性是對能量的吸收或釋放是不連續的具有能階性的,人類利用這些特性應用開發了量子科技。

量子科技的材料技術

石墨烯與納米碳管組合裝置之場發射主要機制為電子在高aspect ratio 納米碳材中,利用量子穿隧效應(quantum tunneling),而穿隧到真空中。在發射之應用上,主要是利用沿著納米碳管之管軸上之電場,使電子發射至真空中。由于碳管之非常高aspect ratio , 導致非常高之電場增益效應(field enhancement),使得累積表面電荷之場發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變得相對大。

至此鄭金水團隊已實現電子的產出與輸送體內的兩大課題,特別是石墨烯與納米碳管組合裝置場發射技術研發成功,鄭金水團隊榮獲國家五項醫學發明專利,相關學術論文發表在期刊上。

森林里的負氧離子對人體的助益,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入人體發揮效應。人工制造電子及如何輸送進入人體內一直是科技界的難題。

鄭金水科研團隊應用石墨烯與納米碳管裝置解決了電子場發射輸送的世界難題,攻克了量子科技在醫學上應用的難關。該技術難度極高,納米碳管只在一個角度發射電子才能進入體內,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雜,攻克了難題。

量子通訊應用兩個量子系統頻率一致無論多遠都會產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。量子計算機應用量子的波粒二象性(疊加態)極大的提高算力。量子科技正在各個領域熱烙研發中,鄭金水團隊的科研成果對其他領域研究工作者在他們的研究中或許有所幫助。

二十世紀是量子理論研究階段,二十一世紀將是量子科技應用的時代,量子科技大幕正在緩緩展開,全球各科研團隊各國家力量正在布局發力,量子科技是第四次工業革命主戰場的制高點。鄭金水及其團隊的科學家們將在量子科技領域繼續貢獻力量。