中科創(chuàng)星：在光子時代“逐鹿未來”｜國際光日

  PART 01

  光的故事

  是波?還是微粒?

  公元1015年左右，伊斯蘭科學(xué)家海什木通過解剖豬眼球的實驗發(fā)現(xiàn)光線在眼腔內(nèi)的反射與在暗室里是一樣的，進而證明了光線來自周圍的物體，破除了源自恩培多克勒和歐幾底德時代的“流出說”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)，而人類真正揭開光的面紗的時刻，要從“現(xiàn)代哲學(xué)之父”勒內(nèi)·笛卡爾開始說起。

▲伊曼·海什木，圖片來源：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：一是認為光類似于微粒的一種物質(zhì);二是認為光是一種以“以太”為媒質(zhì)的壓力——“笛卡爾假說”為后來的微粒說和波動說的爭論埋下了伏筆。不久后，意大利數(shù)學(xué)家格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時發(fā)現(xiàn)了光的衍射現(xiàn)象，據(jù)此，他推測光可能是與水波類似的一種流體，“光的波動學(xué)說”呼之欲出。之后，在波義耳、胡克等人的推動下，“光是一種波”的假說越來越可信。

  后來，牛頓用“微粒說”闡述了光的顏色理論，這一下引燃了“光的波動說與粒子說”的爭論，從此胡克與牛頓之間展開了漫長而激烈的爭論。而在這之后的100多年間，波義耳、惠更斯、夫瑯和費、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“大戰(zhàn)”之中，直到阿爾伯特·愛因斯坦的出現(xiàn)，“終局”才得以定下來。

  1905年3月，愛因斯坦在德國《物理年報》上發(fā)表了題為《關(guān)于光的產(chǎn)生和轉(zhuǎn)化的一個推測性觀點》的論文，他認為對于時間的平均值，光表現(xiàn)為波動;對于時間的瞬間值，光表現(xiàn)為粒子性。簡言之，愛因斯坦是史上第一個揭示微觀客體波動性和粒子性的統(tǒng)一，即“波粒二象性”的人。

  終于，“波動說與微粒說”以“光具有波粒二象性”結(jié)束了爭斗，在最終確認光的“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出了自己的智慧。同時，這一跨時代的理論也激發(fā)了一些重要的新思想，比如量子力學(xué)的誕生。

  至此，我們簡要介紹了光的歷史。

  而從全球科技演進的歷史來看，自第一次工業(yè)革命起后的200多年，人類社會的技術(shù)變遷是按照“機、電、光、算”(機械、電路、光學(xué)、算法)為代表的底層技術(shù)推動的。如今，第一、二、三次工業(yè)革命已然完成了機、電的技術(shù)變遷，我們也正處在第四次工業(yè)革命時代。因此，接下來我們來談?wù)動嘘P(guān)“光”的現(xiàn)在，以及“光”會在未來為我們帶來哪些“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、中國臺灣)。而從2019年的數(shù)據(jù)來看，中國在光子產(chǎn)業(yè)是全球最大的市場，且市場份額有上漲的的趨勢，歐洲和美國則分列二三，市場份額暫未突破20%。當(dāng)然，這并不意味著全球局勢不會發(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(企業(yè))都在“拼命”地進行研發(fā)與應(yīng)用。

▲數(shù)據(jù)來源: Photonics21/TEMATYS

  ●美國方面，2013年美國國家研究委員會就出版《光學(xué)和光子學(xué)：對本國至關(guān)重要的技術(shù)》報告，報告提出美國光學(xué)和光子學(xué)界面臨的五項“大挑戰(zhàn)”問題。其次，圍繞其國家優(yōu)先戰(zhàn)略需求，美國還將光學(xué)與光子技術(shù)視為BRAIN計劃及生物經(jīng)濟藍圖、先進制造、大數(shù)據(jù)、材料基因計劃這四大發(fā)展優(yōu)先戰(zhàn)略的底層支撐技術(shù)。

  此外，美國早在2014年便已成立“國家光子計劃”產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟，明確表明將會支持發(fā)展光學(xué)與光子基礎(chǔ)研究與早期應(yīng)用研究計劃開發(fā)，研究包括生物光子學(xué)、從微弱光到單個光子、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、促進特殊光子有關(guān)技術(shù)開發(fā)、關(guān)鍵光子學(xué)材料國內(nèi)資源這三個領(lǐng)域。

  就在去年，由美國國會牽頭成立了國家光學(xué)與光子學(xué)核心小組。此后，美國制造光子學(xué)研究所與美國空軍研究實驗室和紐約州立大學(xué)研究基金會達成了一項為期七年的新合作協(xié)議，其中包括總額超過3.21億美元的支持。對此，紐約州州長凱西·霍楚(Kathy Hochul)表示：“這些資金將用于幫助確保先進光子的制造準(zhǔn)備，這項技術(shù)對國家安全以及高性能微電子的未來至關(guān)重要。”

  ●歐洲方面，早在2007年1月，歐美啟動第七個科技框架計劃，簡稱“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)鍵勢能技術(shù)之一，“FP7”和“地平線2020”都將光子學(xué)技術(shù)重點投資領(lǐng)域，創(chuàng)新項目主要包括以下六個領(lǐng)域：新一代光子學(xué)技術(shù)、高速光纖因特網(wǎng)技術(shù)的研究開發(fā)、基于光子學(xué)技術(shù)的工業(yè)先進制造系統(tǒng)、高效激光加工工藝的開發(fā)、基于光子學(xué)技術(shù)的環(huán)境保護裝置、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”科研計劃獲得1900萬歐元的投資。此外，為加快歐洲工業(yè)對光子技術(shù)的采用和部署，光子學(xué)數(shù)字創(chuàng)新中心還計劃建立一個單一的光子創(chuàng)新中心，該中心將歐洲53個頂級能力中心的所有一流光子技術(shù)、設(shè)施、專業(yè)知識和經(jīng)驗整合在一起，作為一站式解決方案，可為歐洲任何想通過光子學(xué)進行創(chuàng)新的公司提供開放式訪問。

▲PhotonHub簡介，來源：

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

  ●亞太地區(qū)，日、韓兩國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(OITDA)，2010年實施尖端研究開發(fā)資助計劃(該項目總金額達到1000億日元)外，日本還于2019年啟動了旨在支持顛覆性創(chuàng)新、復(fù)興科技創(chuàng)新立國的新項目“登月型”研發(fā)項目，并提出了面向2050年的研發(fā)目標(biāo)。而韓國則除了《國家光技術(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)展計劃》，表示會全方面、大力支持光子技術(shù)與光產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

  ●我們再將視角轉(zhuǎn)回中國。2018年，工信部發(fā)布《中國光電子器件產(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年國家自然科學(xué)基金委啟動了《國家自然科學(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(2018年資助項目655個，資助金額4625.23億元;2019年資助項目590個，資助金額55078.31億元)。2020年整體資金規(guī)模達到4.15億元(受新冠肺炎疫情影響)，但項目資助數(shù)量增加至663個。

  再從全球市場來看，Photonics21發(fā)布的《Market Data and Industry Report 2020》顯示：自2015年以來，全球光電子市場以每年7%的速度增長，超過全球GDP增長。其中，光子學(xué)組件和系統(tǒng)在2019年的市場規(guī)模達到7330億美元，年均增長7%(2015-2019年)。于此，Photonics21認為，與其他高科技產(chǎn)業(yè)如微電子相比，光子學(xué)是一個快速發(fā)展的行業(yè)。

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

  來源:《Market Data and Industry Report 2020》

  放眼當(dāng)下，全球領(lǐng)先經(jīng)濟體都已鉚足了力氣在光子時代“逐鹿中原”——以當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用來看，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、制造、大數(shù)據(jù)等)之中。比如，我們熟悉的光刻機、激光雷達、激光誘導(dǎo)熒光、光譜學(xué)、生物熒光檢測、太陽能和風(fēng)能、自動駕駛汽車、機器視覺、自動化制造等領(lǐng)域均與光有著緊密聯(lián)系。

  不過，我們可以再將思維放開一些、看遠一些，去展望未來，我們還可以“期待”些什么?

  PART 03

  光子暢想

  “米70定律”與未來的光時代

  對此，我們基于“米70定律”——即“光學(xué)成本將占未來所有科技產(chǎn)品成本的70%”——合理推測，同時結(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”——來看看未來光還會給我們帶來哪些“奇跡”。

  ※信息領(lǐng)域：信息光子

  信息時代早已讓文字從莎草、竹簡、白紙中轉(zhuǎn)移到了電腦、手機等各類電子顯示屏中，可以說，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)。不過，隨著“人、物、機”融合的萬物互聯(lián)時代的到來，極限感知、泛智能、需求波動化等等成了我們對信息技術(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)、云計算等技術(shù)對于信息獲取、傳輸、計算、存儲、顯示等需要。

  比如，相對集成電路，光子芯片有超高速率，超低功耗等特點，利用光信號進行數(shù)據(jù)獲取、傳輸、計算、存儲和顯示的光子芯片，未來將成為 5G 和人工智能時代的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施;而光量子技術(shù)的持續(xù)突破，將實現(xiàn)“真正”量子通信，成為守護信息安全的重器;而隨著數(shù)據(jù)增加，光存儲正在突破衍射極限向超高密度信息存儲方向發(fā)展，能夠為大數(shù)據(jù)時代提供更多的助力。

  ※物質(zhì)領(lǐng)域：光子制造

  作為中國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)升級和經(jīng)濟增長的重要推動力，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)用價值。

  比如，《中國制造2025》中提到，“以提升可靠性、精度保持性為重點，開發(fā)高檔數(shù)控系統(tǒng)、伺服電機、軸承、光柵等主要功能部件及關(guān)鍵應(yīng)用軟件，加快實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。” 再比如, 以激光為“刀”對特定材料根據(jù)需要進行“精雕細刻”的光子制造技術(shù)，被稱為未來先進制造領(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)升級目標(biāo)之一，其三大主要細分場景大數(shù)據(jù)收集、遠程監(jiān)測與精準(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，都為人類帶來了翻天覆地的變化，可以說從文明到生命，每一個驚人的變化后面都有對能源的使用。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)家就在試圖實現(xiàn)商業(yè)核聚變,而采用激光驅(qū)動技術(shù)是可以實現(xiàn)無需放射性燃料或產(chǎn)生放射性廢物的核聚變反應(yīng)的。

  美國科學(xué)家就曾在美國國家點火裝置上使用激光引發(fā)聚變反應(yīng)且觀察到這個熱點能夠“點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)動的核聚變商業(yè)化，將帶來更高的產(chǎn)量和更低的成本，保證能源生產(chǎn)的價格遠低于目前的價格點。這將引領(lǐng)新能源革命相當(dāng)于有了無限的能量，人類的未來也就有了無限的可能。

  ※空間領(lǐng)域：空間光子

  空間光學(xué)是利用光學(xué)手段對目標(biāo)進行遙感觀測和探測的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要手段是把光波作為信息的載體收集、儲存、傳遞、處理和辨認目標(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，則能夠帶動空間機器人、波前傳感與控制技術(shù)以及高精度激光測量等技術(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)域為我們帶來更多的益處。

  ※生命領(lǐng)域：生命光子

  所有有機體，包括人類在內(nèi)都能放射一種可測的弱光，即“生物光子”，而缺少了這種這種“光”的反射，維持人類生命平衡的人體細胞間的聯(lián)系和細胞所催化的生化反應(yīng)就不會發(fā)生。俄羅斯科學(xué)家卡茲那雪夫花了二十年進行電動勢的實驗后發(fā)現(xiàn)，生物光子甚至能夠在48小時內(nèi)將信息從一個身體場域傳遞到另一個身體場域中(這可能讓我們解開同情心，以及動物“自殺”之謎)。

  放下理論，回到應(yīng)用，生命光子(技術(shù))一方面是利用先進的光子技術(shù)獲取生物醫(yī)學(xué)信息，其發(fā)展趨勢是在體高速成像，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精準(zhǔn)治療疾病，如光動力療法。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事實：誰能抓住一個時代的革命性技術(shù)，誰就能夠成為一個時代的領(lǐng)航者——英國利用機械革命實現(xiàn)了東方的超越，美國則利用電子技術(shù)實現(xiàn)了對歐洲的超越，而中國在通向科技強國的路上，“光子”會是一個重大的時代的機遇。

  幸運的是，全球在光子技術(shù)及產(chǎn)業(yè)都處在起步狀態(tài)，中國與世界基本處在同一起跑線上，因此這一輪窗口期我們機會很大。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。