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教育|每秒运算千亿次的光子计算机，真的能实现吗？

出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）
以下内容为中国科学院物理研究所王霆演讲实录：
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 。
教育|每秒运算千亿次的光子计算机，真的能实现吗？
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 。
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