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，伊斯蘭科學家海什木通過解剖豬眼球的實驗發(fā)現光線在眼腔內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，而人類真正揭開光的面紗的時刻，要從“現代哲學之父”勒內·笛卡爾開始說起。

▲伊曼·海什木，圖片來源：Wikipedia

  在《談談方法》的附錄《折光學》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;二是認為光是一種以“以太”為媒質的壓力——“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，意大利數學家格里馬第在觀測放在光束中的小棍子的影子時發(fā)現了光的衍射現象，據此，他推測光可能是與水波類似的一種流體，“光的波動學說”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，“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《關于光的產生和轉化的一個推測性觀點》的論文，他認為對于時間的平均值，光表現為波動;對于時間的瞬間值，光表現為粒子性。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，人類社會的技術變遷是按照“機、電、光、算”(機械、電路、光學、算法)為代表的底層技術推動的。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，接下來我們來談談有關“光”的現在，以及“光”會在未來為我們帶來哪些“驚喜”。

  PART 02

  “光熱”：全球光子產業(yè)發(fā)展概況

  光子技術及產業(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年的數據來看，中國在光子產業(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%。當然，這并不意味著全球局勢不會發(fā)生變化，畢竟光子技術及其應用仍處在發(fā)展初期，各國(企業(yè))都在“拼命”地進行研發(fā)與應用。

▲數據來源: Photonics21/TEMATYS

  ●美國方面，2013年美國國家研究委員會就出版《光學和光子學：對本國至關重要的技術》報告，報告提出美國光學和光子學界面臨的五項“大挑戰(zhàn)”問題。其次，圍繞其國家優(yōu)先戰(zhàn)略需求，美國還將光學與光子技術視為BRAIN計劃及生物經濟藍圖、先進制造、大數據、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。

  此外，美國早在2014年便已成立“國家光子計劃”產業(yè)聯盟，明確表明將會支持發(fā)展光學與光子基礎研究與早期應用研究計劃開發(fā)，研究包括生物光子學、從微弱光到單個光子、復雜媒介成像、超低功耗納米光電子四大領域，應用則包括降低研發(fā)所需制造技術成本、促進特殊光子有關技術開發(fā)、關鍵光子學材料國內資源這三個領域。

  就在去年，由美國國會牽頭成立了國家光學與光子學核心小組。此后，美國制造光子學研究所與美國空軍研究實驗室和紐約州立大學研究基金會達成了一項為期七年的新合作協議，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備，這項技術對國家安全以及高性能微電子的未來至關重要。”

  ●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”，總預算為505.21億歐元。而光子學作為歐盟確定的六大關鍵勢能技術之一，“FP7”和“地平線2020”都將光子學技術重點投資領域，創(chuàng)新項目主要包括以下六個領域：新一代光子學技術、高速光纖因特網技術的研究開發(fā)、基于光子學技術的工業(yè)先進制造系統、高效激光加工工藝的開發(fā)、基于光子學技術的環(huán)境保護裝置、基于光子學技術在衛(wèi)生健康領域的應用、基于光子學感應技術在各領域的廣泛應用。

  比如，光子學數字創(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)對光子技術的采用和部署，光子學數字創(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、設施、專業(yè)知識和經驗整合在一起，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業(yè)。日本方面，除1980年成立了光產業(yè)技術振興協會(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。而韓國則除了《國家光技術路線圖建設》之外，也于2019年發(fā)布了《光融合技術綜合發(fā)展計劃》，表示會全方面、大力支持光子技術與光產業(yè)發(fā)展。

  ●我們再將視角轉回中國。2018年，工信部發(fā)布《中國光電子器件產業(yè)技術發(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年國家自然科學基金委啟動了《國家自然科學基金“十四五”發(fā)展規(guī)劃》和《2021—2035年科學基金中長期發(fā)展規(guī)劃》編制工作后，目前部分“優(yōu)先發(fā)展領域”已公布，包括：高速、集成化半導體光電子器件、超高速光開關、高速光通信、光互連......生物、醫(yī)學光子學、微光學技術與器件、新型光電子功能材料中的關鍵科學問題與器件研究、光子晶體及其應用等光相關領域。

  相關數據顯示，2018和2019年國家自然科學基金資助光學和光電子學研究保持高速增長(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，光子學組件和系統在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，與其他高科技產業(yè)如微電子相比，光子學是一個快速發(fā)展的行業(yè)。

▲全球光子產業(yè)市場規(guī)模 (€/billion)

  來源:《Market Data and Industry Report 2020》

  放眼當下，全球領先經濟體都已鉚足了力氣在光子時代“逐鹿中原”——以當前的技術應用來看，光已經深入到生活與各大產業(yè)(軍事、醫(yī)療、能源、信息技術、汽車、制造、大數據等)之中。比如，我們熟悉的光刻機、激光雷達、激光誘導熒光、光譜學、生物熒光檢測、太陽能和風能、自動駕駛汽車、機器視覺、自動化制造等領域均與光有著緊密聯系。

  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“光學成本將占未來所有科技產品成本的70%”——合理推測，同時結合一條技術主線——即“從物質、能源、信息、交通、生命五大領域”——來看看未來光還會給我們帶來哪些“奇跡”。

  ※信息領域：信息光子

  信息時代早已讓文字從莎草、竹簡、白紙中轉移到了電腦、手機等各類電子顯示屏中，可以說，屏幕占據了當今大多數人的“人生”，我們現在成為了“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的新要求。

  另，集成電路已趨于物理極限，以電為傳輸介質的技術方式受其自身物理屬性的限制，已經難以滿足新一輪科技革命中人工智能、物聯網、云計算等技術對于信息獲取、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，利用光信號進行數據獲取、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鍵基礎設施;而光量子技術的持續(xù)突破，將實現“真正”量子通信，成為守護信息安全的重器;而隨著數據增加，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，能夠為大數據時代提供更多的助力。

  ※物質領域：光子制造

  作為中國產業(yè)結構升級和經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、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)高檔數控系統、伺服電機、軸承、光柵等主要功能部件及關鍵應用軟件，加快實現產業(yè)化?！? 再比如, 以激光為“刀”對特定材料根據需要進行“精雕細刻”的光子制造技術，被稱為未來先進制造領域的主導性、革命性技術。

  此外，隨著“智能制造”成為產業(yè)升級目標之一，其三大主要細分場景大數據收集、遠程監(jiān)測與精準控制都需要光子技術輔助。

  ※能源領域：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。而自從上世紀起，科學家就在試圖實現商業(yè)核聚變,而采用激光驅動技術是可以實現無需放射性燃料或產生放射性廢物的核聚變反應的。

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

  而激光驅動的核聚變商業(yè)化，將帶來更高的產量和更低的成本，保證能源生產的價格遠低于目前的價格點。這將引領新能源革命相當于有了無限的能量，人類的未來也就有了無限的可能。

  ※空間領域：空間光子

  空間光學是利用光學手段對目標進行遙感觀測和探測的科學技術領域，主要手段是把光波作為信息的載體收集、儲存、傳遞、處理和辨認目標信息的光學遙感技術，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，超大口徑光學系統的發(fā)展，則能夠帶動空間機器人、波前傳感與控制技術以及高精度激光測量等技術的發(fā)展。而光學遙感技術的高空間分辨率、高光譜分辨率、高時間分辨率能夠在城市規(guī)劃、農業(yè)、災害預防、軍事等領域為我們帶來更多的益處。

  ※生命領域：生命光子

  所有有機體，包括人類在內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系和細胞所催化的生化反應就不會發(fā)生。俄羅斯科學家卡茲那雪夫花了二十年進行電動勢的實驗后發(fā)現，生物光子甚至能夠在48小時內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，回到應用，生命光子(技術)一方面是利用先進的光子技術獲取生物醫(yī)學信息，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治療疾病，如光動力療法。此外，還有光遺傳學在慢性痛、帕金森等疾病相關的臨床研究都已經開展。(注：限于篇幅，關于“光子應用技術”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，誰就能夠成為一個時代的領航者——英國利用機械革命實現了東方的超越，美國則利用電子技術實現了對歐洲的超越，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，全球在光子技術及產業(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“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。