打開我們的電腦、手機(jī)等日常設(shè)備，就會(huì)發(fā)現(xiàn)諾貝爾獎(jiǎng)的成果與我們的生活接近。(莎士比亞)(美國)在《計(jì)算機(jī)科學(xué)》(Northern Exposure)中。

晶體管——1956諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

集成電路33542000諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

顯示器的液晶顯示器——1991諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

Lcd背面LED——2014諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

供電的鋰電池——2019諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)

電腦磁盤——2007諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

相機(jī)背后的CCD——2009諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

墻壁wi-fi光纖33542009諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

光纖激光器——1964諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

GPS衛(wèi)星上的原子鐘33541989諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)

除了獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)的鋰電池，其他成果都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

縱觀這些成果，它們是信息技術(shù)的重要組成部分，其背后的原理都來自于量子力學(xué)。物理學(xué)家們?cè)谝粤孔恿W(xué)為基礎(chǔ)的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)等物理學(xué)科基礎(chǔ)上，開發(fā)出了改變世界的信息技術(shù)，催生了人類第三次科技革命（信息革命）。

今天，我們就從信息革命的主角——半導(dǎo)體說起。

文 | 張文卓

編輯 | 王乙雯 瞭望智庫

本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章，如需轉(zhuǎn)載請(qǐng)?jiān)谖那白⒚鱽碓床t望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。

1 從半導(dǎo)體到集成電路

一部“硅谷誕生史”

半導(dǎo)體，顧名思義，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。早在1833年，半導(dǎo)體現(xiàn)象就被電磁學(xué)的奠基人法拉第發(fā)現(xiàn)，但到20世紀(jì)初，物理學(xué)家也一直無法了解其中的原理。直到量子力學(xué)的建立，半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理才迎刃而解。

如何理解這一過程？要從原子說起。

量子力學(xué)告訴我們，原子通過化學(xué)鍵形成分子，化學(xué)鍵來自不同原子最外層電子的配對(duì)。這些最外層電子被稱為“價(jià)電子”，它們不僅屬于之前所在的原子，也屬于與之成化學(xué)鍵的電子之前所在的原子。如果每一個(gè)原子的價(jià)電子都會(huì)與周圍多個(gè)原子的價(jià)電子形成化學(xué)鍵，那么這個(gè)“大分子”可以無限地?cái)U(kuò)展下去，這就形成了固體。

在固體中，原子一般按照周期性排列（即晶體），那么這些價(jià)電子如同置身于在一個(gè)周期性的原子吸引陣列中，稱之為“晶格”。1928年，菲利克斯·布洛赫通過求解周期勢(shì)阱中的薛定諤方程來解決晶體中價(jià)電子的行為，得出了布洛赫定理。在該定理中，電子的波函數(shù)具有了和晶格周期一樣的周期分布，并且能量分布已經(jīng)不再是單個(gè)原子中形成的能級(jí)，而是變成了“能帶”，這就是建立在量子力學(xué)上的固體能帶理論。

【注：1952年，布洛赫獲得了諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。有趣的是，他所獲獎(jiǎng)憑借的并不是由他開創(chuàng)的能帶理論，而是屬于量子光學(xué)的核磁共振理論?！?/p>

當(dāng)周期性的原子吸引陣列對(duì)價(jià)電子的吸引較弱，即晶格的勢(shì)能較淺的時(shí)候，可以對(duì)布洛赫定理做自由電子近似，得到的結(jié)果能夠很好地描述導(dǎo)體中的價(jià)電子的行為。也就是說，導(dǎo)體中價(jià)電子的能帶很高，接近自由電子。我們稱自由電子的能帶為“導(dǎo)帶”，價(jià)電子的能帶為“價(jià)帶”。對(duì)于導(dǎo)體來說，導(dǎo)帶和價(jià)帶是重合的。

當(dāng)周期性的原子吸引陣列對(duì)價(jià)電子的吸引較強(qiáng)，即晶格的勢(shì)能較深的時(shí)候，可以對(duì)布洛赫定理做緊束縛近似，即電子波函數(shù)變?yōu)橐唤M局域化的旺尼爾函數(shù)。這個(gè)函數(shù)能夠描述絕緣體中價(jià)電子的行為，即絕緣體中，價(jià)電子都緊緊束縛在原子周圍，電子需要增加很多的能量才能接近自由電子，也就是說電子的“價(jià)帶”離“導(dǎo)帶”能量差很多。

那么半導(dǎo)體就比較容易理解了，它的價(jià)電子的能帶正好處于導(dǎo)體和絕緣體之間。也就是說，半導(dǎo)體的“價(jià)帶”離“導(dǎo)帶”非常近：當(dāng)外界操作（如加電壓或者用光照射）讓它的價(jià)電子的能量升高，從價(jià)帶進(jìn)入導(dǎo)帶，那么它就變成了導(dǎo)體。讓它的價(jià)電子的能量降低，它就會(huì)回到價(jià)帶，變成絕緣體。

圖中從左至右依次為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的導(dǎo)帶（藍(lán)）和價(jià)帶（紅）對(duì)比。

正是半導(dǎo)體的出現(xiàn)，讓數(shù)字計(jì)算機(jī)變小變輕成為可能，最終走進(jìn)千家萬戶、走到每個(gè)人的手中。而數(shù)字計(jì)算機(jī)的發(fā)明，離不開“二進(jìn)制運(yùn)算”的發(fā)明。

我們知道，計(jì)算機(jī)用比特（0或1）作為信息的最小單元，采用二進(jìn)制計(jì)數(shù)法，用輸入比特來操作輸出比特的結(jié)果，從而實(shí)現(xiàn)各種數(shù)字邏輯門的功能。只要能實(shí)現(xiàn)這些二進(jìn)制數(shù)字邏輯門，就可以實(shí)現(xiàn)任意二進(jìn)制運(yùn)算，也就實(shí)現(xiàn)了數(shù)字計(jì)算機(jī)。

二進(jìn)制數(shù)字邏輯門。

1946年誕生于美國的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，即電子數(shù)字積分計(jì)算機(jī)），是世界上第一臺(tái)數(shù)字計(jì)算機(jī)。它使用了大量的真空電子管來實(shí)現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字邏輯門，體積龐大到占用一百多平方米的房間，重量達(dá)到28噸。

當(dāng)年這些龐大的電子管計(jì)算機(jī)經(jīng)常被飛來的蟲子搞短路，所以當(dāng)時(shí)修理計(jì)算機(jī)的工作就是到處清理這些蟲子?，F(xiàn)在把程序的錯(cuò)誤稱為“bug”，其實(shí)就來自于它的本意“蟲子”，排除計(jì)算機(jī)故障就叫做“debug”。

半導(dǎo)體是如何讓笨重的數(shù)字計(jì)算機(jī)“縮小”的呢？

答案是晶體管。利用半導(dǎo)體制成的晶體管，可以通過施加電壓來控制其中的電流和其兩端的電壓，即輸入比特用0表示不施加電壓，用1表示施加電壓；輸出比特用0表示沒有電壓，用1表示有電壓。

下圖就是用晶體管實(shí)現(xiàn)各類數(shù)字邏輯門的例子，輸入比特（input A，B）作為電壓可以控制輸出比特（output C）的值。

用晶體管實(shí)現(xiàn)的各類數(shù)字邏輯門。

在半導(dǎo)體晶圓上刻制大量的晶體管邏輯門，實(shí)現(xiàn)通用二進(jìn)制數(shù)字計(jì)算功能，就成了集成電路，即通常所說的芯片。集成電路是一切電子設(shè)備的核心，沒有它，就沒有電腦和手機(jī)，甚至連收音機(jī)和電視機(jī)都不會(huì)有。

可以說，從晶體管到集成電路的歷史就是一部硅谷的誕生歷史。

從肖克萊到“八叛逆”，從仙童到英特爾，這一段歷史是20世紀(jì)后半段最值得寫的歷史。

【編者注：1947年底，肖克萊和巴丁、布拉頓一起發(fā)明了世界上第一只點(diǎn)接觸型晶體管，從而引發(fā)了一場電子工業(yè)革命。1955年，肖克萊回到老家圣克拉拉谷（硅谷），創(chuàng)辦了肖克萊半導(dǎo)體實(shí)驗(yàn)室。1957年，實(shí)驗(yàn)室里的8位年輕精英提出辭職，肖克萊稱他們?yōu)椤芭淹健?，時(shí)稱“八叛逆”。這8位年輕科學(xué)家成立了仙童半導(dǎo)體公司，之后他們又先后離開仙童，開始各自創(chuàng)辦公司。最出名的，就是1968年由諾伊斯和摩爾共同創(chuàng)立的英特爾（IntegratedElectronics）。來源：中國數(shù)字科技館】

2 從量子光學(xué)到激光通訊

將全世界連接起來

光學(xué)是物理學(xué)最古老的一個(gè)分支，從古至今經(jīng)歷了幾何光學(xué)、波動(dòng)光學(xué)、量子光學(xué)三個(gè)時(shí)代。其中幾何光學(xué)與波動(dòng)光學(xué)近似，屬于經(jīng)典物理學(xué)的一部分，在麥克斯韋用他的方程組推導(dǎo)出電磁波后，便和電磁學(xué)統(tǒng)一在一起。實(shí)際上，電磁波（光）和經(jīng)典力學(xué)原理存在矛盾，其速度（光速）不變性最終導(dǎo)致了愛因斯坦發(fā)現(xiàn)狹義相對(duì)論，還有其波粒二象性最終導(dǎo)致了量子力學(xué)的出現(xiàn)。

與經(jīng)典光學(xué)不同，量子光學(xué)是完全建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的“上層建筑”。也就是說，量子力學(xué)最終使人類認(rèn)識(shí)了光的本質(zhì)——光是由光量子（光子）組成的，且光子之間具有量子相干性。

光的量子本性為人類帶來了意想不到的收獲，那就是激光。

*激光理論最早可以追溯到1917年愛因斯坦對(duì)光電效應(yīng)的進(jìn)一步研究，他提出了“受激吸收、受激輻射、自發(fā)輻射”三個(gè)物理過程。但是當(dāng)時(shí)量子力學(xué)還未建立，所以屬于唯象理論。

*量子力學(xué)建立以后，1950年法國物理學(xué)家卡斯特勒利用量子力學(xué)預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了“光泵浦”現(xiàn)象，并獲得了1966年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

*隨后幾年，美國物理學(xué)家湯斯、蘇聯(lián)物理學(xué)家普羅科諾夫和巴索夫分別發(fā)現(xiàn)光泵浦可以導(dǎo)致原子能級(jí)的布居數(shù)反轉(zhuǎn)，并能使微波的受激輻射放大（maser），他們因此獲得了1964年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

*1957年，湯斯和他的博士后肖洛預(yù)言微波的受激輻射放大可以推進(jìn)到可見光波長，即激光。

*1960年，梅曼發(fā)明了第一臺(tái)光的受激輻射放大裝置，即激光器。隨后激光器被大量研制出來并應(yīng)用到了光學(xué)研究當(dāng)中。肖洛后來和布洛姆伯根通過激光光譜學(xué)獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

憑借其他光源不可比擬的單色性和準(zhǔn)直性，激光成為了人類最重要的光源之一。在工業(yè)上，激光已經(jīng)作為最鋒利的切割刀來使用。

不過，讓激光能成為和半導(dǎo)體集成電路具有相同“江湖地位”的關(guān)鍵，是激光通信的出現(xiàn)。

在激光出現(xiàn)之前，最先進(jìn)的通信方式有兩種：一個(gè)是用電磁波的無線通信，另一個(gè)是用電流的有線通信。無線通信一直應(yīng)用至今，包括早期的射頻無線電，到微波頻率的模擬信號(hào)，又到2G、3G、4G甚至5G數(shù)字通信，這是激光通信不能取代的。但對(duì)于有線通信來說，一根電線一次同時(shí)只能傳輸一個(gè)電流，無論是模擬信號(hào)還是數(shù)字信號(hào)，信息傳輸能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及激光。

光纖的出現(xiàn)為激光通信的大范圍應(yīng)用鋪平了道路。在一根光纖中，可允許不同頻率的激光同時(shí)傳播且互不影響（光源之間不相干），因此信道容量遠(yuǎn)大于電線。尤其對(duì)于遠(yuǎn)距離通信，激光在光纖中的能量損耗遠(yuǎn)小于電流在導(dǎo)線中的損耗，因此光纖的發(fā)熱量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電線。這些優(yōu)勢(shì)使得光纖激光通信成為了通信電纜的“完美”替代品。華人物理學(xué)家高琨是遠(yuǎn)距離低損耗光纖的發(fā)明人，他也因此獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如今，激光通信使用的海底光纜已經(jīng)遍布全球各大洋，將全世界連接起來。城市中每個(gè)家庭、學(xué)校和辦公樓都有了光纖寬帶入戶，每一住戶無論網(wǎng)線還是無線WiFi，所有的信息都要從墻里的那根光纖進(jìn)出。

光纖激光通信已經(jīng)成為了高速互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，支撐起了當(dāng)今世界龐大的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。如果沒有光纖激光通信，我們的信息傳播會(huì)仍然停留在打電話的階段，電線極低的信息傳輸速率和高損耗，使得互聯(lián)網(wǎng)只能是極少數(shù)人的“奢侈品”，并且只能發(fā)電子郵件，觀看網(wǎng)絡(luò)視頻更無從談起。

和半導(dǎo)體集成電路一樣，這個(gè)源自于量子光學(xué)的發(fā)明——激光，成為了信息時(shí)代最重要的角色，徹底改變了人類的生活。

3 巨磁阻效應(yīng)和磁盤

信息存儲(chǔ)的奧秘

前面提到，半導(dǎo)體和激光在信息時(shí)代的地位舉足輕重，半導(dǎo)體集成電路負(fù)責(zé)計(jì)算，激光負(fù)責(zé)通信。此外，還有一個(gè)非常重要的層面——信息存儲(chǔ)?！坝?jì)算—通信—存儲(chǔ)”三者相輔相成，構(gòu)成了信息的流動(dòng)范圍。

二進(jìn)制信息的存儲(chǔ)方式主要有三種：第一種是半導(dǎo)體存儲(chǔ)，即半導(dǎo)體閃存原理，每個(gè)晶體管以是否導(dǎo)電來代表0或1。我們平常使用的電腦內(nèi)存條、U盤、固態(tài)硬盤等，都是半導(dǎo)體閃存。第二種是光存儲(chǔ)，即光盤。在光盤材料上雕刻滿微小的鏡子，以反射的激光是否按照要求的方向來代表0或1。第三種的歷史最為悠久，那就是磁性存儲(chǔ)，即利用固體的磁性來記錄信息。

物體的磁性是量子力學(xué)決定的，而電子自旋是量子力學(xué)和狹義相對(duì)論結(jié)合的結(jié)果。每個(gè)電子都具有1/2自旋，當(dāng)和電磁場（光子）相互作用時(shí)就表現(xiàn)出一個(gè)磁矩，即電子的自旋軸方向會(huì)和外界磁場方向趨于一致。

“當(dāng)一個(gè)物體具備沒有填滿的電子軌道時(shí)，這些原子的電子自旋沒有相互配對(duì)抵消，那么剩下的這些電子的自旋就會(huì)順著磁場方向排列，即表現(xiàn)為順磁性。當(dāng)一個(gè)物體由電子軌道都被填滿的原子組成時(shí)，順磁性就會(huì)消失，電子軌道角動(dòng)量因?yàn)殡姶鸥袘?yīng)而產(chǎn)生的抗磁性會(huì)表現(xiàn)出來（遠(yuǎn)小于電子自旋的順磁性）。當(dāng)一個(gè)物體的原子最外層電子軌道剛好填滿了一半，那么這些電子會(huì)自發(fā)地讓自旋方向一致，從而保持能量最低。大量電子一致的自旋方向就讓這個(gè)物體表現(xiàn)出了宏觀的磁場，這個(gè)就是鐵磁性的，例如磁鐵。”

正是海森堡在1928年通過電子自旋給出了鐵磁性的這個(gè)量子力學(xué)解釋，讓人們認(rèn)識(shí)到物體的磁性直接來自于量子力學(xué)決定的電子自旋。

在二進(jìn)制信息大規(guī)模使用之前，磁帶已經(jīng)作為模擬信號(hào)的存儲(chǔ)方式得到了廣泛的應(yīng)用。即聲音、影像等轉(zhuǎn)化為模擬信號(hào)電流，通過電流的磁場變化把電流信號(hào)記錄在磁帶的磁性粉末的排列順序上。信息讀取時(shí)通過強(qiáng)磁性的磁頭讀取這些磁性粉末的排列，再轉(zhuǎn)化為之前的電流信號(hào)。隨著20世紀(jì)80年代計(jì)算機(jī)大規(guī)模普及，傳統(tǒng)的磁帶和磁頭已經(jīng)無法滿足數(shù)字信息時(shí)代的需求。

1988年，法國物理學(xué)家菲爾特和德國物理學(xué)家格倫貝格發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，即一種材料的電阻對(duì)外界磁場方向極其敏感。巨磁阻材料由兩層鐵磁性材料中間夾一層非鐵磁性材料所構(gòu)成。

當(dāng)這兩層鐵磁性材料的磁矩方向相同時(shí)，巨磁阻材料的電阻會(huì)非常小。當(dāng)這兩層鐵磁性材料的磁矩方向相反時(shí)，巨磁阻材料的電阻會(huì)變得非常大。所以用巨磁阻材料去掃描鐵磁性顆粒，這些顆粒會(huì)改變靠近它的一層鐵磁性材料的磁場方向（即磁化），而這個(gè)方向的改變會(huì)導(dǎo)致巨磁阻材料內(nèi)部電流的巨大變化。

因此可以用微小磁性顆粒的磁場方向存儲(chǔ)信息：用巨磁阻材料作為磁頭，對(duì)應(yīng)磁頭上無電流和電流最大的兩個(gè)磁場方向編碼為0和1，這樣就可以將大量比特存儲(chǔ)在一張磁盤上，用巨磁阻磁頭讀寫，這就是電腦硬盤的原理。

巨磁阻材料讓電腦硬盤成為了存儲(chǔ)可讀寫信息的密度最大介質(zhì)，菲爾特和格倫貝格因此獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

同光盤被取代一樣，雖然磁盤也有被基于半導(dǎo)體閃存的固態(tài)硬盤所取代的趨勢(shì)，但是目前的大容量存儲(chǔ)市場依舊以磁盤為主流硬盤。因?yàn)楣虘B(tài)硬盤無論是壽命還是容量，目前還無法和最好的磁盤相比。

不過，隨著半導(dǎo)體閃存技術(shù)不斷更新?lián)Q代，磁盤也有可能像光盤一樣成為歷史，但這絲毫不影響磁性材料為信息革命做出的重要貢獻(xiàn)。

4 顯示器和數(shù)碼攝像頭

與現(xiàn)實(shí)世界的交互

我們常用的電腦和智能手機(jī)等設(shè)備，除了需要具備對(duì)二進(jìn)制數(shù)字信息進(jìn)行通訊、計(jì)算、存儲(chǔ)三個(gè)主要功能以外，還需要和現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行交互。比如，通過錄音、拍照和攝像把現(xiàn)實(shí)世界的聲音和圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信息；再通過顯示器和揚(yáng)聲器把數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成圖像和語音，讓人能夠看見和聽見。

這些圖像的輸出和采集設(shè)備中到處可以看見量子光學(xué)的影子。

在介紹激光時(shí)，我們提到激光就來自于物質(zhì)對(duì)光的受激輻射。而物質(zhì)的自發(fā)輻射發(fā)光和激光不同，它是由組成物質(zhì)的原子與光的真空態(tài)相互作用的結(jié)果。

【注：光的真空態(tài)：狄拉克對(duì)電磁波（光）的量子化結(jié)果，使得電磁場有一個(gè)粒子數(shù)為零但能量不為零的真空態(tài)（每個(gè)頻率上的真空態(tài)能量都為半個(gè)光子能量）。一些教材在介紹這個(gè)真空態(tài)的時(shí)候，通常都用卡西米爾效應(yīng)舉例子，但實(shí)際上卡西米爾效應(yīng)并不是單純由真空態(tài)引起的，而是由真空中不斷產(chǎn)生和湮滅的虛光子導(dǎo)致的。真正純粹來自真空態(tài)的可觀測(cè)現(xiàn)象是自發(fā)輻射。】

1930年，奧地利物理學(xué)家韋斯科普夫和匈牙利物理學(xué)家魏格納在量子力學(xué)基礎(chǔ)上建立了光的自發(fā)輻射理論，即電子（或者原子核）與光的真空態(tài)發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)自發(fā)地從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)并向四面八方輻射出光子。凡是被外界能量激發(fā)到某個(gè)激發(fā)態(tài)能級(jí)或能帶的電子，都會(huì)產(chǎn)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，躍遷回基態(tài)并發(fā)射出光子。

任何非激光的發(fā)光本質(zhì)上都和自發(fā)輻射有關(guān)，包括黑體輻射。

在日常生活中最常見的可見光波長的自發(fā)輻射現(xiàn)象就是熒光。從熒光粉，到日光燈，一直到LED（發(fā)光二極管）都屬于自發(fā)輻射熒光現(xiàn)象。還有螢火蟲，其腹部的熒光也是蛋白質(zhì)分子里電子產(chǎn)生的自發(fā)輻射。

重點(diǎn)要說的是LED。由于是半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電的電子的能級(jí)被“電子—空穴對(duì)”限制得比較窄，甚至接近原子能級(jí)的寬度，因此可以發(fā)出單色性非常好的自發(fā)輻射。LED省電、發(fā)熱小，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光，在不要求光準(zhǔn)直性的情況下比激光更有優(yōu)勢(shì)。因此，LED逐漸淘汰了傳統(tǒng)的燈泡和日光燈，成為了目前人們所使用的主要光源。

我們電腦和手機(jī)使用的顯示器屬于液晶顯示器，但液晶本身并不發(fā)光，只有選擇讓光通過多少百分比的功能，所以液晶顯示器的發(fā)光部分其實(shí)源自于背后的LED屏。LED屏發(fā)出的白光先經(jīng)過紅綠藍(lán)三色像素過濾屏，再經(jīng)過液晶屏調(diào)節(jié)每一個(gè)像素的亮度（紅綠藍(lán)三色像素每一個(gè)前面都有一個(gè)液晶像素，通過透過光的亮度來選擇顏色比例），最終顯示出我們?cè)谄聊簧峡吹降膱D像。

LED出現(xiàn)以后，紅光和綠光很快出現(xiàn)，但藍(lán)光波長的LED一直是個(gè)“硬骨頭”，直到中村修二、赤崎勇、天野浩三人解決了這一難題，LED才得以廣泛應(yīng)用到今天。三人因此獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

在圖像的采集設(shè)備中，相機(jī)是人們生活中不可或缺的設(shè)備。

在20世紀(jì)，膠卷一直是記錄圖像的主要方式。拍在膠卷上的圖像需要在暗室中用藥水浸泡和透鏡放大才能呈現(xiàn)在照片上，俗稱“洗照片”。電影畫面也是每秒鐘拍攝24張圖像在膠片上，需要一張張洗出來。靠著賣膠卷和洗照片，柯達(dá)公司一度成為全球最賺錢的公司。

今天，這一切隨著21世紀(jì)初數(shù)碼相機(jī)的大規(guī)模出現(xiàn)而被徹底改變了。而數(shù)碼相機(jī)最核心的部分，就是取代膠片的CCD感光芯片。

CCD全稱charge-coupled device（電荷耦合器件），由1969年貝爾實(shí)驗(yàn)室的兩位工程師博伊爾和史密斯發(fā)明。CCD利用的就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，由光子打在每個(gè)像素點(diǎn)上被電子吸收，電子變成自由電子形成電流，電流的大小正比于光子的數(shù)量。

光電效應(yīng)本質(zhì)上可以用量子光學(xué)中的光電離過程直接描述。CCD的參數(shù)里經(jīng)常提到“量子效率”這個(gè)詞，意思就是從一個(gè)像素點(diǎn)產(chǎn)生的自由電子數(shù)和照射在這個(gè)像素點(diǎn)上的光子數(shù)的比例。博伊爾和史密斯因?yàn)榘l(fā)明CCD獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

如今，我們手機(jī)上的相機(jī)所用的感光芯片已經(jīng)從CCD替換為了CMOS，后者指的是一種制造集成電路的“互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體”技術(shù)。用CMOS技術(shù)制造出的半導(dǎo)體感光芯片同樣采用光電效應(yīng)，量子效率比CCD差一些，但是成本和功耗遠(yuǎn)低于CCD。并且，每個(gè)像素的電流直接變?yōu)殡妷翰⒁远M(jìn)制數(shù)字信號(hào)傳給存儲(chǔ)器，使圖像處理速度更快。目前民用市場主要使用COMS，而CCD則主要在需要低噪音和高量子效率的科研及工業(yè)領(lǐng)域使用。

5 原子鐘和GPS

精準(zhǔn)定義時(shí)間和方位

準(zhǔn)確地記錄時(shí)間是人類文明最重要的標(biāo)志之一。從古代的日晷到近代的鐘擺，時(shí)間的計(jì)量方式在不斷地進(jìn)化。工業(yè)革命時(shí)期發(fā)明的機(jī)械鐘表一直是人類機(jī)械制造工藝的頂峰。

到了20世紀(jì)下半葉，第三次科技革命（信息革命）讓石英晶體振蕩器成為了更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)方式，并大幅拉低了鐘表的價(jià)格。如今所有的電子設(shè)備中都配備著石英晶振來計(jì)時(shí)，它利用石英晶體在施加電壓時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)頻率，計(jì)時(shí)精度一般能做到一年只差一秒左右，滿足我們?nèi)粘Ｉ钏琛?/p>

但是在高精尖的科技領(lǐng)域，人類需要更準(zhǔn)確的計(jì)時(shí)工具，那就要進(jìn)入微觀領(lǐng)域，借助量子力學(xué)的威力了。

利用量子力學(xué)計(jì)算電子在原子核周圍的分布得到電子在該原子中的能級(jí)結(jié)構(gòu)，并知道哪些原子的哪些電子能級(jí)具有較高的準(zhǔn)確性。選取適合的原子，把它的電子在準(zhǔn)確能級(jí)間躍遷輻射出的光子的準(zhǔn)確頻率測(cè)量出來，就是原子鐘的原理。

【注：根據(jù)量子力學(xué)，能量=普朗克常數(shù)×頻率，能級(jí)間隔越準(zhǔn)確，電子躍遷發(fā)射出的光子能量也就越準(zhǔn)確，且光子的頻率也越準(zhǔn)確?！?/p>

美國物理學(xué)家拉比（1944年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)得主）在1945年率先提出了利用電子能級(jí)躍遷實(shí)現(xiàn)原子鐘的原理。1949年，拉姆齊改進(jìn)了拉比的原子束方法，讓原子束兩次通過微波場，大幅消除噪聲，獲得了更精確電子躍遷頻率，這個(gè)方法成為了原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。拉姆齊因此獲得了1989年諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。

今天的全球時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)是用銫原子鐘定義的，即用銫-133原子（一般采用元素周期表最左側(cè)的一列的原子做原子鐘，因?yàn)樗鼈冏钔鈱又挥幸粋€(gè)電子）的最外層電子的基態(tài)能級(jí)和第一激發(fā)態(tài)能級(jí)之間的頻率（能量差/普朗克常數(shù)）作為標(biāo)準(zhǔn)。

【注：一秒鐘定義為9192631770除以該頻率，也就是以該頻率振蕩9192631770個(gè)周期所需要的時(shí)間?！?/p>

除了銫原子鐘以外，氫原子鐘和銣原子鐘也得到了非常廣泛的應(yīng)用。這些采用常溫原子的原子鐘的時(shí)間準(zhǔn)確度已經(jīng)到了10的負(fù)13次方，即幾萬年只差一秒的水平。

1989年，由朱棣文、菲利普斯、塔諾季發(fā)展出的激光冷卻原子技術(shù)，可以將原子冷卻到幾十微開爾文的溫度（僅比絕對(duì)零度高十萬分之幾度），這樣由原子熱運(yùn)動(dòng)引起的能級(jí)不確定度被大幅壓縮，原子鐘的頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高，時(shí)間準(zhǔn)確度可以達(dá)到10的負(fù)16次方量級(jí)，也就是幾億年才差一秒的水平。

最新的光學(xué)頻率原子鐘（即光鐘，用原子在可見光頻率的電子能級(jí)躍遷代替在微波頻率的電子能級(jí)躍遷）的時(shí)間準(zhǔn)確度可以達(dá)到10的負(fù)18次方量級(jí)，也就是從宇宙大爆炸到現(xiàn)在（138億年）才差一秒的水平。

原子鐘除了為人類社會(huì)提供精確的時(shí)間以外，還有一個(gè)非常重要的作用，就是全球?qū)Ш蕉ㄎ弧?/p>

無論是美國的GPS系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)，還是我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，都需要天上幾十顆衛(wèi)星組成覆蓋全球的無線網(wǎng)絡(luò)，這些衛(wèi)星最核心的設(shè)備就是原子鐘。每顆衛(wèi)星都將原子鐘提供的時(shí)間信息作為信號(hào)發(fā)送給地面。地面每個(gè)接收器如果接收到兩個(gè)衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)，就可以通過時(shí)間差計(jì)算出自己離兩個(gè)衛(wèi)星的距離的差是多少（時(shí)間差乘以光速），這個(gè)差分布在一條雙曲線上。

當(dāng)接收器接收到第三顆衛(wèi)星的時(shí)間信號(hào)后，便又可以計(jì)算出和其他兩個(gè)衛(wèi)星的距離差，即另外兩條雙曲線。三條雙曲線的交點(diǎn)就是這個(gè)接收器相對(duì)三個(gè)衛(wèi)星的定位點(diǎn)，因此至少需要三顆衛(wèi)星來做定位。衛(wèi)星上的原子鐘提供的時(shí)間越準(zhǔn)確，導(dǎo)航系統(tǒng)的定位也就越準(zhǔn)確。

衛(wèi)星導(dǎo)航定位不僅大量用車載和船載，還有我們使用的每臺(tái)手機(jī)中，都安裝了微型的GPS接收器。通過相對(duì)多顆衛(wèi)星的定位來確定在地球上的位置，這也成為很多移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必不可少的一個(gè)功能。

以上，從半導(dǎo)體到芯片，從激光通訊到磁盤存儲(chǔ)，從顯示屏到數(shù)碼相機(jī)，從原子鐘到衛(wèi)星定位……我們不難發(fā)現(xiàn)，量子論不僅改變了人類對(duì)世界的基礎(chǔ)認(rèn)知，也使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。而量子論與信息科學(xué)的融合，正孕育著一場新的變革。

《大話量子通信》

張文卓 著

Sheldon 科學(xué)漫畫工作室 繪制

人民郵電出版社

介紹了量子力學(xué)的發(fā)展歷史

回顧了人類的第一次信息革命

展望了以量子通信和量子計(jì)算為代表的第二次信息革命。