挑战7nm,光芯片有可能吗?

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“光子计算机的最终目标是达到一千亿次每秒的运算速率,远远超越现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是改变人类未来生活方式的另一项重要的科技。”本文来自微信公众号: 格致论道讲坛(ID:SELFtalks) ,作者:王霆,题图来自:视觉中国

王霆:中国科学院物理研究所副研究员

今天跟大家分享一些关于 微纳光学领域的前沿科学

在切入微纳之光主题之前,我希望先跟大家分享一下我的个人经历,来说明我为什么走向微纳光学这个科研领域。

机缘巧合下,在我十几岁的时候,英国剑桥的St. Mary's School来北京招生,我去面试了,结果就去了剑桥。

去了之后特别惊讶,发现这个学校原来是个女校,全校600个女生就我一个男生!

大家不要笑,大家可能觉得,男生到女校不是挺高兴的事吗?

其实不然,去了之后就会发现,作为唯一一个亚裔,我被排挤得非常的厉害,所以一度非常沮丧。

但是有一件事情我特别自豪——我的成绩非常好,这归功于我们伟大祖国的基础教育。

在座很多小学生朋友们都会乘法口诀表吧,随便问一下八八等于多少,每个人都能回答出来八八六十四。

但是,欧美的学生是不会的,他完全不知道,因为他没有这个东西,所以这个事情他怎么做呢?他只能8+8扒着手指头算或者使用计算器。

去了之后你就会发现,我们通常需要用30分钟完成的作业,他们却需要花三个小时,可能还完成不了。

当时我的优越感怦然而生,这种优越感一直伴随着我,直到进到了大学里面。

在大学一年级下半学期的时候,我突然发现了一件算是晴天霹雳的事儿,就是所有的华裔学生考试都开始不及格了,我们 原来都是名列前茅的,但是这时成绩会变得非常差。

为什么呢?因为在欧美的大学里是学分制的算法,不是按照考试来算的,而是按照课业项目来算的。

这个项目可能是跟一个公司合作,IBM、英特尔之类合作的一个项目,他只告诉你需要完成一个什么目标,但是在完成这个目标的过程中,你没有任何的指南、你不知道你需要什么样的材料、也不知道你需要什么样的设计, 一切的东西都是原创性的。

这时欧美学生的优势就体现出来了,因为他们在教育过程中,从未有过像乘法口诀表这样的定式思维。

我们所学的东西,都是被动的、被传授的;而他们不是,他们是主动地去寻求生活中细微的科学答案,这就体现出了特别明显的差别。

所以,我也一度非常彷徨,我不知道我需要什么、我也不知道我想寻求什么。

很庆幸的是,在我大三的时候,遇到了我的导师 Greg Parker 教授,他给我做了一组很简单的关于量子点的实验。

量子点是微纳光学中一个非常典型的纳米颗粒,他展示这个实验之后,我就深深被吸引了,我觉得这个东西太有意思了!

大家可能不知道量子点是什么,随后我会详细跟大家解释一下,就是这个简单的实验,让我想要在这个领域从事科研、去探索这些未知的美。

量子点是什么

大家肯定很好奇, 量子点是什么样的东西? 会让你觉得这么美好、让你希望去探索它、希望去研究它。

量子点有三个特性:

第一个特性:它是非常小的原子颗粒, 一百纳米尺度以下的原子团簇 。什么是原子团簇?就是一堆原子。但是它的尺度非常小,小于一百纳米。

可能大家没有概念,一百纳米,其实只有一千万分之一米。一千万分之一米这么小的一个原子团簇,这是它的第一个特性。

第二个特性: 它是一个准零维纳米材料。

三维大家都知道,就是我们日常生活中所有的块材材料。我们这里举一个例子,典型的就是碳,大块的煤块是三维的。

什么是二维?你可以想象一下,把石墨材料或者一个碳块,无限的横向切割,把它切成像生鱼片似的、非常非常薄的、 只有原子厚度的薄膜,这个就是石墨烯。

一维就更直接了,那就是一个碳纳米管,它是 在单一方向无限延长的、只有一维自由空间 的这么一个材料体系。

最后我们就要说到零维。零维就意味着在这样一个空间或者这样一个材料体系内,你没有任何的自由空间,哪都去不了。

可以想象一下:如果是一个小原子呆在里面,它哪都去不了,但是如果你让它完全不动,它需要小到一个极限 (小于原子尺度)

我们说是一百纳米,它还是一个原子团簇,所以它只是准零维,还不是零维,是接近零维的这么一个标准。这是量子点的第二个特性。

这两个特性结合在一起,量子点它有意思在哪里?

这两个条件产生了 量子限域效应 ,是1961年日本的久保先生提出的久保理论,我们现在称之为“量子限域效应”。它的作用是什么?

任何物质缩减到非常小的一个纳米值,可能大家看到的非常大的一个铁块或者任何物体, 当它缩小到一个纳米尺度的时候,它的电子能级会由连续变成分立。

就像图中所示,它从三维缩减到二维、一维、零维的时候,电子的能级逐渐变成离散型的。

离散型到底有什么用?举个简单的例子来说,在日常生活中看到的某一个物质是磁性的,缩到零维的纳米尺度之后,它可能变成导电的或者变成绝缘的;一个可能完全不发光的、黑乎乎的物质,当它缩小到零维空间的时候,它变成了发光材料、五彩斑斓。

这就是从三维变成零维结构之后, 所谓光、热、电等等一系列的物性相互之间的转化。

因为我们这里讨论的是微纳光学,所以我们希望去探索量子点到底有什么样的光学性质,马上我会给大家做一组实验。

在做实验之前,我先给大家变一个魔术,一个简单的魔术。

大家可以看到我这里有一瓶水,对吧?这是一瓶水,没有什么奇特的,就是一瓶水。但是我会用我的意念让它产生一些变化。

在场年轻的学生朋友们,你们觉得我用意念之后它会产生什么变化?那我数一下3 2 1,我用意念让它产生一些变化──来!3 2 1!是不是蓝色的光?

其实刚才给大家卖了一个关子,这也不是什么普通的水,这个就是我们说的量子点,里面有纳米颗粒。

大家可能看不到,我的右手拿着一个手电筒,其实就是一个泵浦的光, 当量子点被紫外光或者高能量的光泵浦了之后,它就会呈现了不同的颜色。

现在我给大家做一组简单的小实验,看看量子点如何呈现不同的色彩。

我们会将一系列硒化镉量子点融在有机溶液 (甲苯) 中,可能这些溶液看起来像白水一样的、或者有淡淡的一些颜色。

当我们将这些量子点放在紫外光中,它就会呈现出不同的色泽,这个原理是什么?

我们通过分散纳米尺度,不同原子大小、不同尺度的纳米颗粒,会呈现出不同的色泽。

大家可以看到这当中不同的颜色,这就是量子点奇妙的地方,这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

硒化镉量子点(甲苯溶液)

那么,我问大家一个简单的问题:我们现在有三个标准的颜色,三基色。把红绿蓝三个颜色的溶液分别打开,我将这三种不同尺寸的纳米颗粒混在一起,大家觉得会有什么样的变化?

我现在给大家展示一下,它变成青色了,有没有?我们做到最后,它变成了白色,这也就是白色led,或者说是白光的发光原理。

我们把三基色 (三种不同尺寸的量子点) 融合在一起,它会成为未来的照明系统,可能会是我们利用的一个方向。

不同的尺寸的硒化镉量子点,给了我们不同的色彩。

另外还有砷化铟量子点,看着像一个个黄豆颗粒似的,这就是砷化铟。

这是非常典型和常见的两个量子点的例子。

右侧的这个量子点,它会被我们大范围的应用到光电通讯中,可以用于制备激光器和探测器,因为它是在红外发光。目前来说,大家所使用的宽带、所有的光纤通讯中使用的探测器和激光器,很大比例都是使用这种量子点完成的,所以它也是我们光通讯中一个非常重要的材料。

量子点的应用

来具体的说一说量子点到底有什么应用。

三个应用方向:第一,“显示”。大家看到了色彩斑斓的颜色;第二个方向就是“ 光通信 ”,我们前面简单提及的这个方向,我后面会详细讲析解释一下。最后一个就是“ 量子计算 ”。

首先说一下显示方向。左图中,我们将量子点和传统显示屏结合在一起;右图是屏幕制作完成之后所呈现的不同色彩,这样的 屏幕色彩饱和度极其地高 ,有非常好的色泽度、显示度,而且它的功耗很低,也就意味着如果做成手机屏后,未来你的电池可能会用两天、会用三天。

这个专利已经被三星购买了,在开始大幅地量产,所以这是量子点最直观的一个应用。

然后介绍一下中长期的应用方向──光通信。

说到光通信,我就不得不说一说现在的电子通讯。上个世纪到现在,大家从用笔、用纸的年代,到现在用电脑到iPad到智能手机,彻底地改变了人类的生活方式,这都归功于Gordon Moore——摩尔先生,他 发明了摩尔定律,是英特尔的创始人之一。

他在1970年提出了摩尔定律,即 电子芯片当中最小的单元──晶体管──每18个月它的总数量会翻一番,其性能也会增加一倍。

所以我们的电脑从286、 386的时代开始,一直到奔腾的I 、II、III、IV,直到2010年摩尔定律都保持了它非常成功的预言。

但是在这之后,它逐渐开始失效了。大家可能已经意识到,现在这几年用的手机、电脑性能并没有那么高的增速。

我们现在是大数据时代,互联网经济蓬勃生长,无论是从智能手机的发展开始,还是说我们的人工智能,对数据的需求量是非常大的。

但是我们用电子作为芯片、作为信息载体的这个方式,已经 满足不了我们的需求了。

我们需要什么?我们 需要光子 。大家都知道,光的速度比电要快的多,所以我们希望通过光子取代电子,成为新的信息载体。

谷歌建的一个数据中心,在近两年内已经投入了10亿美金,因为数据存储量不够。它目前的数据量达到了五个ZetaByte。

ZetaByte到底是一个什么样的尺度?通常一个手机存储空间几十G或几百G,这是1万亿个G。就这样还是 完全没有办法满足我们现在的数据需求量 ,大部分时候是超载的。为什么?

因为所有的数据中心里,大部分的信号处理还是采用电,在用电和电芯片之间采用光互联, 的速度极度抑制了处理和传输信息的速度。

那么我们需要做什么? 首先就是采用光电模块 ,保留部分的电子芯片和光结合,采用一些光电模块,大幅提高数据中心的速度,这是我们的第一步。

第二步我们需要采用光逻辑,用光去产生逻辑,那么我们就可以实现光的晶体管,来可以完全取代所有的电子晶体管。大家就会得到“光芯片”。

最终大范围地实现光芯片集成,以后大家得到的可能就不是什么电子计算机了。我们要什么? 光子计算机。

光子计算机究竟有什么样的作用呢?最终的目标是希望它能够 达到一千亿次每秒的运算速率 ,会远远超越现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是未来改变人类生活方式的另一项重要的科技。

除了前两个应用方向,还有一个最重要的 “量子计算机”

现在有很多实现量子计算机的方式,包括冷原子、超导等等。但是我们在讨论微纳光学,所以我们希望去探索如何使用光子去实现量子计算机,也就是 采用光子作为量子比特。

2017年中科大实现了8量子比特的这么一个光量子计算机,下一步是12量子比特,最终我们希望在 十年内实现一百个量子比特。

一百个量子比特是什么概念? 它的运算速率会达到现在全世界运算速率之和的一百万倍。

通过计算,我们不仅可以助力人工智能——计算人脑内的神经突触和细胞之间是如何沟通、如何交流的,还可以帮助探索外太空,可能会彻底改变地球的面貌。这些是量子计算机更长远的应用。

总而言之,微纳光学基本上已经在目前慢慢改变我们人类的生活。我相信在未来的50年到100年,微纳光学可能会彻彻底底的改变所有人对信息的认知、对数据的认知以及大家的生活方式。

希望我今天的这个演讲,能够让一些年轻的观众未来加入到我们的阵营里面来。谢谢大家!

本文来自微信公众号: 格致论道讲坛(ID:SELFtalks) ,作者:王霆

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