中科創(chuàng)星：在光子時(shí)代“逐鹿未來(lái)”｜國(guó)際光日

  PART 01

  光的故事

  是波?還是微粒?

  公元1015年左右，伊斯蘭科學(xué)家海什木通過(guò)解剖豬眼球的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)光線在眼腔內(nèi)的反射與在暗室里是一樣的，進(jìn)而證明了光線來(lái)自周?chē)奈矬w，破除了源自恩培多克勒和歐幾底德時(shí)代的“流出說(shuō)”猜想。但是，古代研究幾乎都是基于“白光”所做的，因此并未觸及到光的本質(zhì)，而人類(lèi)真正揭開(kāi)光的面紗的時(shí)刻，要從“現(xiàn)代哲學(xué)之父”勒內(nèi)·笛卡爾開(kāi)始說(shuō)起。

▲伊曼·海什木，圖片來(lái)源：Wikipedia

  在《談?wù)劮椒ā返母戒洝墩酃鈱W(xué)》中，笛卡爾提出了兩種假說(shuō)：一是認(rèn)為光類(lèi)似于微粒的一種物質(zhì);二是認(rèn)為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力——“笛卡爾假說(shuō)”為后來(lái)的微粒說(shuō)和波動(dòng)說(shuō)的爭(zhēng)論埋下了伏筆。不久后，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第在觀測(cè)放在光束中的小棍子的影子時(shí)發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，據(jù)此，他推測(cè)光可能是與水波類(lèi)似的一種流體，“光的波動(dòng)學(xué)說(shuō)”呼之欲出。之后，在波義耳、胡克等人的推動(dòng)下，“光是一種波”的假說(shuō)越來(lái)越可信。

  后來(lái)，牛頓用“微粒說(shuō)”闡述了光的顏色理論，這一下引燃了“光的波動(dòng)說(shuō)與粒子說(shuō)”的爭(zhēng)論，從此胡克與牛頓之間展開(kāi)了漫長(zhǎng)而激烈的爭(zhēng)論。而在這之后的100多年間，波義耳、惠更斯、夫瑯和費(fèi)、施維爾德、拉普拉斯、馬呂斯、菲涅耳、托馬斯·楊、赫茲、法拉第、麥克斯韋等著名科學(xué)家均加入到這場(chǎng)“大戰(zhàn)”之中，直到阿爾伯特·愛(ài)因斯坦的出現(xiàn)，“終局”才得以定下來(lái)。

  1905年3月，愛(ài)因斯坦在德國(guó)《物理年報(bào)》上發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個(gè)推測(cè)性觀點(diǎn)》的論文，他認(rèn)為對(duì)于時(shí)間的平均值，光表現(xiàn)為波動(dòng);對(duì)于時(shí)間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。簡(jiǎn)言之，愛(ài)因斯坦是史上第一個(gè)揭示微觀客體波動(dòng)性和粒子性的統(tǒng)一，即“波粒二象性”的人。

  終于，“波動(dòng)說(shuō)與微粒說(shuō)”以“光具有波粒二象性”結(jié)束了爭(zhēng)斗，在最終確認(rèn)光的“波粒二象性”的路上，哈密頓、普朗克、巴耳末、泰勒、狄拉克、杰默爾和湯姆森等人也貢獻(xiàn)出了自己的智慧。同時(shí)，這一跨時(shí)代的理論也激發(fā)了一些重要的新思想，比如量子力學(xué)的誕生。

  至此，我們簡(jiǎn)要介紹了光的歷史。

  而從全球科技演進(jìn)的歷史來(lái)看，自第一次工業(yè)革命起后的200多年，人類(lèi)社會(huì)的技術(shù)變遷是按照“機(jī)、電、光、算”(機(jī)械、電路、光學(xué)、算法)為代表的底層技術(shù)推動(dòng)的。如今，第一、二、三次工業(yè)革命已然完成了機(jī)、電的技術(shù)變遷，我們也正處在第四次工業(yè)革命時(shí)代。因此，接下來(lái)我們來(lái)談?wù)動(dòng)嘘P(guān)“光”的現(xiàn)在，以及“光”會(huì)在未來(lái)為我們帶來(lái)哪些“驚喜”。

  PART 02

  “光熱”：全球光子產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

  光子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)的主要市場(chǎng)集中在北美地區(qū)(美、加)、歐洲地區(qū)(英、德、法、荷等)和亞太地區(qū)(中、日、韓、中國(guó)臺(tái)灣)。而從2019年的數(shù)據(jù)來(lái)看，中國(guó)在光子產(chǎn)業(yè)是全球最大的市場(chǎng)，且市場(chǎng)份額有上漲的的趨勢(shì)，歐洲和美國(guó)則分列二三，市場(chǎng)份額暫未突破20%。當(dāng)然，這并不意味著全球局勢(shì)不會(huì)發(fā)生變化，畢竟光子技術(shù)及其應(yīng)用仍處在發(fā)展初期，各國(guó)(企業(yè))都在“拼命”地進(jìn)行研發(fā)與應(yīng)用。

▲數(shù)據(jù)來(lái)源: Photonics21/TEMATYS

  ●美國(guó)方面，2013年美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)就出版《光學(xué)和光子學(xué)：對(duì)本國(guó)至關(guān)重要的技術(shù)》報(bào)告，報(bào)告提出美國(guó)光學(xué)和光子學(xué)界面臨的五項(xiàng)“大挑戰(zhàn)”問(wèn)題。其次，圍繞其國(guó)家優(yōu)先戰(zhàn)略需求，美國(guó)還將光學(xué)與光子技術(shù)視為BRAIN計(jì)劃及生物經(jīng)濟(jì)藍(lán)圖、先進(jìn)制造、大數(shù)據(jù)、材料基因計(jì)劃這四大發(fā)展優(yōu)先戰(zhàn)略的底層支撐技術(shù)。

  此外，美國(guó)早在2014年便已成立“國(guó)家光子計(jì)劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確表明將會(huì)支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計(jì)劃開(kāi)發(fā)，研究包括生物光子學(xué)、從微弱光到單個(gè)光子、復(fù)雜媒介成像、超低功耗納米光電子四大領(lǐng)域，應(yīng)用則包括降低研發(fā)所需制造技術(shù)成本、促進(jìn)特殊光子有關(guān)技術(shù)開(kāi)發(fā)、關(guān)鍵光子學(xué)材料國(guó)內(nèi)資源這三個(gè)領(lǐng)域。

  就在去年，由美國(guó)國(guó)會(huì)牽頭成立了國(guó)家光學(xué)與光子學(xué)核心小組。此后，美國(guó)制造光子學(xué)研究所與美國(guó)空軍研究實(shí)驗(yàn)室和紐約州立大學(xué)研究基金會(huì)達(dá)成了一項(xiàng)為期七年的新合作協(xié)議，其中包括總額超過(guò)3.21億美元的支持。對(duì)此，紐約州州長(zhǎng)凱西·霍楚(Kathy Hochul)表示：“這些資金將用于幫助確保先進(jìn)光子的制造準(zhǔn)備，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)國(guó)家安全以及高性能微電子的未來(lái)至關(guān)重要?！?

  ●歐洲方面，早在2007年1月，歐美啟動(dòng)第七個(gè)科技框架計(jì)劃，簡(jiǎn)稱(chēng)“FP7”，總預(yù)算為505.21億歐元。而光子學(xué)作為歐盟確定的六大關(guān)鍵勢(shì)能技術(shù)之一，“FP7”和“地平線2020”都將光子學(xué)技術(shù)重點(diǎn)投資領(lǐng)域，創(chuàng)新項(xiàng)目主要包括以下六個(gè)領(lǐng)域：新一代光子學(xué)技術(shù)、高速光纖因特網(wǎng)技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)、基于光子學(xué)技術(shù)的工業(yè)先進(jìn)制造系統(tǒng)、高效激光加工工藝的開(kāi)發(fā)、基于光子學(xué)技術(shù)的環(huán)境保護(hù)裝置、基于光子學(xué)技術(shù)在衛(wèi)生健康領(lǐng)域的應(yīng)用、基于光子學(xué)感應(yīng)技術(shù)在各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

  比如，光子學(xué)數(shù)字創(chuàng)新中心(PhotonHub)已從“地平線2020”科研計(jì)劃獲得1900萬(wàn)歐元的投資。此外，為加快歐洲工業(yè)對(duì)光子技術(shù)的采用和部署，光子學(xué)數(shù)字創(chuàng)新中心還計(jì)劃建立一個(gè)單一的光子創(chuàng)新中心，該中心將歐洲53個(gè)頂級(jí)能力中心的所有一流光子技術(shù)、設(shè)施、專(zhuān)業(yè)知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)整合在一起，作為一站式解決方案，可為歐洲任何想通過(guò)光子學(xué)進(jìn)行創(chuàng)新的公司提供開(kāi)放式訪問(wèn)。

▲PhotonHub簡(jiǎn)介，來(lái)源：

https://www.photonhub.eu/photonics-for-you/

  ●亞太地區(qū)，日、韓兩國(guó)也在積極籌備光子產(chǎn)業(yè)。日本方面，除1980年成立了光產(chǎn)業(yè)技術(shù)振興協(xié)會(huì)(OITDA)，2010年實(shí)施尖端研究開(kāi)發(fā)資助計(jì)劃(該項(xiàng)目總金額達(dá)到1000億日元)外，日本還于2019年啟動(dòng)了旨在支持顛覆性創(chuàng)新、復(fù)興科技創(chuàng)新立國(guó)的新項(xiàng)目“登月型”研發(fā)項(xiàng)目，并提出了面向2050年的研發(fā)目標(biāo)。而韓國(guó)則除了《國(guó)家光技術(shù)路線圖建設(shè)》之外，也于2019年發(fā)布了《光融合技術(shù)綜合發(fā)展計(jì)劃》，表示會(huì)全方面、大力支持光子技術(shù)與光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  ●我們?cè)賹⒁暯寝D(zhuǎn)回中國(guó)。2018年，工信部發(fā)布《中國(guó)光電子器件產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展路線圖(2018—2022年)》，聚焦光通信器件、通信光纖光纜、特種光纖、光傳感器件四大方向;2019年國(guó)家自然科學(xué)基金委啟動(dòng)了《國(guó)家自然科學(xué)基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》和《2021—2035年科學(xué)基金中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》編制工作后，目前部分“優(yōu)先發(fā)展領(lǐng)域”已公布，包括：高速、集成化半導(dǎo)體光電子器件、超高速光開(kāi)關(guān)、高速光通信、光互連......生物、醫(yī)學(xué)光子學(xué)、微光學(xué)技術(shù)與器件、新型光電子功能材料中的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題與器件研究、光子晶體及其應(yīng)用等光相關(guān)領(lǐng)域。

  相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，2018和2019年國(guó)家自然科學(xué)基金資助光學(xué)和光電子學(xué)研究保持高速增長(zhǎng)(2018年資助項(xiàng)目655個(gè)，資助金額4625.23億元;2019年資助項(xiàng)目590個(gè)，資助金額55078.31億元)。2020年整體資金規(guī)模達(dá)到4.15億元(受新冠肺炎疫情影響)，但項(xiàng)目資助數(shù)量增加至663個(gè)。

  再?gòu)娜蚴袌?chǎng)來(lái)看，Photonics21發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示：自2015年以來(lái)，全球光電子市場(chǎng)以每年7%的速度增長(zhǎng)，超過(guò)全球GDP增長(zhǎng)。其中，光子學(xué)組件和系統(tǒng)在2019年的市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到7330億美元，年均增長(zhǎng)7%(2015-2019年)。于此，Photonics21認(rèn)為，與其他高科技產(chǎn)業(yè)如微電子相比，光子學(xué)是一個(gè)快速發(fā)展的行業(yè)。

▲全球光子產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)規(guī)模 (€/billion)

  來(lái)源:《Market Data and Industry Report 2020》

  放眼當(dāng)下，全球領(lǐng)先經(jīng)濟(jì)體都已鉚足了力氣在光子時(shí)代“逐鹿中原”——以當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用來(lái)看，光已經(jīng)深入到生活與各大產(chǎn)業(yè)(軍事、醫(yī)療、能源、信息技術(shù)、汽車(chē)、制造、大數(shù)據(jù)等)之中。比如，我們熟悉的光刻機(jī)、激光雷達(dá)、激光誘導(dǎo)熒光、光譜學(xué)、生物熒光檢測(cè)、太陽(yáng)能和風(fēng)能、自動(dòng)駕駛汽車(chē)、機(jī)器視覺(jué)、自動(dòng)化制造等領(lǐng)域均與光有著緊密聯(lián)系。

  不過(guò)，我們可以再將思維放開(kāi)一些、看遠(yuǎn)一些，去展望未來(lái)，我們還可以“期待”些什么?

  PART 03

  光子暢想

  “米70定律”與未來(lái)的光時(shí)代

  對(duì)此，我們基于“米70定律”——即“光學(xué)成本將占未來(lái)所有科技產(chǎn)品成本的70%”——合理推測(cè)，同時(shí)結(jié)合一條技術(shù)主線——即“從物質(zhì)、能源、信息、交通、生命五大領(lǐng)域”——來(lái)看看未來(lái)光還會(huì)給我們帶來(lái)哪些“奇跡”。

  ※信息領(lǐng)域：信息光子

  信息時(shí)代早已讓文字從莎草、竹簡(jiǎn)、白紙中轉(zhuǎn)移到了電腦、手機(jī)等各類(lèi)電子顯示屏中，可以說(shuō)，屏幕占據(jù)了當(dāng)今大多數(shù)人的“人生”，我們現(xiàn)在成為了“屏幕之民”(凱文·凱利語(yǔ))。不過(guò)，隨著“人、物、機(jī)”融合的萬(wàn)物互聯(lián)時(shí)代的到來(lái)，極限感知、泛智能、需求波動(dòng)化等等成了我們對(duì)信息技術(shù)的新要求。

  另，集成電路已趨于物理極限，以電為傳輸介質(zhì)的技術(shù)方式受其自身物理屬性的限制，已經(jīng)難以滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等技術(shù)對(duì)于信息獲取、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)、顯示等需要。

  比如，相對(duì)集成電路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特點(diǎn)，利用光信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計(jì)算、存儲(chǔ)和顯示的光子芯片，未來(lái)將成為 5G 和人工智能時(shí)代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施;而光量子技術(shù)的持續(xù)突破，將實(shí)現(xiàn)“真正”量子通信，成為守護(hù)信息安全的重器;而隨著數(shù)據(jù)增加，光存儲(chǔ)正在突破衍射極限向超高密度信息存儲(chǔ)方向發(fā)展，能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)時(shí)代提供更多的助力。

  ※物質(zhì)領(lǐng)域：光子制造

  作為中國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級(jí)和經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)的重要推動(dòng)力，制造業(yè)的重要性不言而喻。而光子制造包括激光制造、光刻技術(shù)、原子制造等，可以跨越毫米、微米、納米等多種尺度，具有巨大的應(yīng)用價(jià)值。

  比如，《中國(guó)制造2025》中提到，“以提升可靠性、精度保持性為重點(diǎn)，開(kāi)發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機(jī)、軸承、光柵等主要功能部件及關(guān)鍵應(yīng)用軟件，加快實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化?！? 再比如, 以激光為“刀”對(duì)特定材料根據(jù)需要進(jìn)行“精雕細(xì)刻”的光子制造技術(shù)，被稱(chēng)為未來(lái)先進(jìn)制造領(lǐng)域的主導(dǎo)性、革命性技術(shù)。

  此外，隨著“智能制造”成為產(chǎn)業(yè)升級(jí)目標(biāo)之一，其三大主要細(xì)分場(chǎng)景大數(shù)據(jù)收集、遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)與精準(zhǔn)控制都需要光子技術(shù)輔助。

  ※能源領(lǐng)域：能量光子

  縱觀歷史，每一次的能源革命，都為人類(lèi)帶來(lái)了翻天覆地的變化，可以說(shuō)從文明到生命，每一個(gè)驚人的變化后面都有對(duì)能源的使用。目前，可控核聚變是最具想象力的能源。而自從上世紀(jì)起，科學(xué)家就在試圖實(shí)現(xiàn)商業(yè)核聚變,而采用激光驅(qū)動(dòng)技術(shù)是可以實(shí)現(xiàn)無(wú)需放射性燃料或產(chǎn)生放射性廢物的核聚變反應(yīng)的。

  美國(guó)科學(xué)家就曾在美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置上使用激光引發(fā)聚變反應(yīng)且觀察到這個(gè)熱點(diǎn)能夠“點(diǎn)燃自我維持的連鎖反應(yīng)”，這意味著由激光引起的核聚變能夠在連續(xù)的能源生產(chǎn)鏈中引起額外的聚變反應(yīng)，這有可能成為核聚變商業(yè)成功的核心突破。

  而激光驅(qū)動(dòng)的核聚變商業(yè)化，將帶來(lái)更高的產(chǎn)量和更低的成本，保證能源生產(chǎn)的價(jià)格遠(yuǎn)低于目前的價(jià)格點(diǎn)。這將引領(lǐng)新能源革命相當(dāng)于有了無(wú)限的能量，人類(lèi)的未來(lái)也就有了無(wú)限的可能。

  ※空間領(lǐng)域：空間光子

  空間光學(xué)是利用光學(xué)手段對(duì)目標(biāo)進(jìn)行遙感觀測(cè)和探測(cè)的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要手段是把光波作為信息的載體收集、儲(chǔ)存、傳遞、處理和辨認(rèn)目標(biāo)信息的光學(xué)遙感技術(shù)，空間光子則在朝著高分辨率、高性能和高穩(wěn)定性方向發(fā)展。

  比如，超大口徑光學(xué)系統(tǒng)的發(fā)展，則能夠帶動(dòng)空間機(jī)器人、波前傳感與控制技術(shù)以及高精度激光測(cè)量等技術(shù)的發(fā)展。而光學(xué)遙感技術(shù)的高空間分辨率、高光譜分辨率、高時(shí)間分辨率能夠在城市規(guī)劃、農(nóng)業(yè)、災(zāi)害預(yù)防、軍事等領(lǐng)域?yàn)槲覀儙?lái)更多的益處。

  ※生命領(lǐng)域：生命光子

  所有有機(jī)體，包括人類(lèi)在內(nèi)都能放射一種可測(cè)的弱光，即“生物光子”，而缺少了這種這種“光”的反射，維持人類(lèi)生命平衡的人體細(xì)胞間的聯(lián)系和細(xì)胞所催化的生化反應(yīng)就不會(huì)發(fā)生。俄羅斯科學(xué)家卡茲那雪夫花了二十年進(jìn)行電動(dòng)勢(shì)的實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，生物光子甚至能夠在48小時(shí)內(nèi)將信息從一個(gè)身體場(chǎng)域傳遞到另一個(gè)身體場(chǎng)域中(這可能讓我們解開(kāi)同情心，以及動(dòng)物“自殺”之謎)。

  放下理論，回到應(yīng)用，生命光子(技術(shù))一方面是利用先進(jìn)的光子技術(shù)獲取生物醫(yī)學(xué)信息，其發(fā)展趨勢(shì)是在體高速成像，如超分辨成像、熒光成像、光學(xué)相干層析成像、光聲成像等，另一方面是利用光與生物組織的相互作用來(lái)精準(zhǔn)治療疾病，如光動(dòng)力療法。此外，還有光遺傳學(xué)在慢性痛、帕金森等疾病相關(guān)的臨床研究都已經(jīng)開(kāi)展。(注：限于篇幅，關(guān)于“光子應(yīng)用技術(shù)”的介紹也只是“九牛一毛”。我們將在后續(xù)系列文章進(jìn)行逐一介紹。)

  PART 04

  最后的話

  科技發(fā)展史向我們傳遞了了一個(gè)事實(shí)：誰(shuí)能抓住一個(gè)時(shí)代的革命性技術(shù)，誰(shuí)就能夠成為一個(gè)時(shí)代的領(lǐng)航者——英國(guó)利用機(jī)械革命實(shí)現(xiàn)了東方的超越，美國(guó)則利用電子技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)歐洲的超越，而中國(guó)在通向科技強(qiáng)國(guó)的路上，“光子”會(huì)是一個(gè)重大的時(shí)代的機(jī)遇。

  幸運(yùn)的是，全球在光子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)都處在起步狀態(tài)，中國(guó)與世界基本處在同一起跑線上，因此這一輪窗口期我們機(jī)會(huì)很大。但是，光子技術(shù)“這塊骨頭”還是很硬的，唯有“啃硬骨頭、十年磨劍”的信念才能在浪潮中屹立不倒。