南边科技大学校长薛其坤

科技是国之利器。

2022年9月6日，中央片面深刻革新委员会第二十七次会议审议经过《关于健全社会主义市场经济条件下关键外围技术攻关新型举国体制的意见》（下称《意见》）。新型举国体制再一次性成为群众关注的热点。这一次性，新型举国体制有了新的外围义务——关键外围技术攻关，致力成功高水平科技自立自强。

两年前的2020年10月16日下午，中共中央总书记习近平掌管中央政治局第24次群体学习，中国迷信院院士、时任清华大学副校长薛其坤传授获邀就量子科技钻研和运行前景启动了专题解说，并提出了意见和倡导。

量子科技，是环球注目标畛域。2022年诺贝尔物理学奖就授予了三位迷信家，惩处其在量子消息迷信钻研方面所做的奉献。

此前的2013年，薛其坤率领钻研团队在国内上初次从试验中观测到量子失常霍尔效应。由于这个严重迷信打破，薛其坤取得2018年度国度人造迷信奖一等奖，并于2020年成为首位取得菲列兹·伦敦奖的中国迷信家。这项严重迷信打破被杨振宁评估为“诺奖级”的迷信发现。

薛其坤现任南边科技大学校长，他目前正在鼎力推进一系列科研评估体系革新和十分规的人才造就方案。

关于关键外围技术攻关，新型举国体制的长处是什么？奥秘的第二代量子技术将如何扭转甚至推翻人们的生存模式？在这个畛域，我国处于哪个方阵？如何吸引年轻人从事长周期的基础钻研？迷信家如何成为青少年崇敬的偶像？

2022年9月30日，薛其坤传授就上述疑问接受了南边周末记者专访。

量子科技是十分关键的策略畛域

南边周末： 在中共中央政治局第24次群体学习时，你启动了怎么的解说，提了哪些倡导和意见？

薛其坤： 在今日的会议上，我关键引见了环球量子科技开展历程和态势，以及量子迷信的开展对目前的消息技术，比如电子计算机和高密度消息存储等第一代量子技术的严重推进作用；我还引见了进入新世纪以来我国在量子迷信和技术上取得的成就，包含量子失常霍尔效应的试验发现、“墨子号”量子迷信试验卫星的发射等；我还提了一些倡导和意见，包含我国应如何增强量子迷信基础钻研、开展第二代量子技术、推进人类成功第二次量子技术反派等。

南边周末： 量子科技对群众而言奥秘而生疏。你曾预言，未来30年，推翻性的消息技术之一是量子计算机和量子网络。请用深刻的言语描述一下它将怎么推翻群众未来的生存模式。

薛其坤： 实践上，咱们如今所处的消息时代用的很多关键技术，比如互联网技术和光纤通讯，就是量子技术的一些运行。一个十分典型的例子，高速光纤通讯誉的激光技术，是一个在20世纪60年代发明的典型的微观量子现象，其原理是基于量子实践的受激辐射光加大。咱们目前的很多互联网技术和芯片技术也是在量子法令钻研发现基础上的运行。

大家或者以为，量子技术是一个很新的技术。实践上不是。从量子力学的建设到运行，已历时100年。

20年或30年后，到了量子计算机、量子互联网时代，量子技术将会带来清楚的社会提高，可以从以下几个方面了解。

一是计算机处置消息的速度成功超过式优化。目前全环球最快的超级计算机，每秒可启动百亿亿次浮点运算。只管这种超级计算运行了相似笔记本电脑的集成技术，但要变成一个超级计算机，要把很多笔记本电脑沉积起来，它的体积或者是咱们这栋楼这么大。超

薛其坤发现的量子霍尔反常效应，为什么说是诺奖级别的成就？

1879 年，美国物理学家霍尔在研究金属的导电机制时发现，带电粒子（例如电子）在磁场中运动时会受到洛伦兹力的作用发生偏转，那么在磁场中的电流也有可能发生偏转。当电流垂直于外磁场通过半导体时，载流子发生偏转，在导体两端堆积电荷从而在导体内部产生电场，其方向垂直于电流和磁场的方向。当电场力和洛伦兹力相平衡时，载流子不再偏转。而此时半导体的两端会形成电势差。

其中运动电荷在磁场中所受到的力称为洛伦兹力，即磁场对运动电荷的作用力。我们在中学都学习过左手定则的方法，将左手掌摊平，让磁感线穿过手掌心，四指表示正电荷运动方向，则和四指垂直的大拇指所指方向即为洛伦兹力的方向。但须注意，运动电荷是正的，大拇指的指向即为洛伦兹力的方向。反之，如果运动电荷是负的，仍用四指表示电荷运动方向，那么大拇指的指向的反方向为洛伦兹力方向。

而载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。霍尔的发现后来被称为“霍尔效应”，这个电势差也被称为霍尔电势差。

简单来说，霍尔效应它定义了磁场和感应电压之间的关系。当电流通过一个位于磁场中的导体的时候，磁场会对导体中的电子产生一个横向的作用力，从而在导体的两端产生电压差

虽然这个效应多年前就已经被人们知道并理解，但基于霍尔效应的传感器在材料工艺获得重大进展前并不实用，直到出现了高强度的恒定磁体和工作于小电压输出的信号调节电路。根据设计和配置的不同，霍尔效应传感器可以作为开/关传感器或者线性传感器，广泛应用于电力系统中。

霍尔效应示意图，作者Peo

人们按照霍尔效应开发的各种霍尔元件被广泛应用于精密测磁、自动化控制、通信、计算机、航空航天等工业部门和国防领域。

按经典霍尔效应理论，霍尔电阻RH (RH=U/I=K. B/d= B/nqd) 应随B连续变化并随着n (载流子浓度)的增大而减小，但是到了 1980 年，著名物理学家冯·克里津从金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)发现了一种新的量子霍尔效应。他在硅MOSFET管上加两个电极，再把这个硅MOSFET管放到强磁场和极低温下，发现霍耳电阻随栅压变化的曲线上出现了一系列平台，与这些平台相应的霍尔电阻Rh=h/(ne2)，其中n是正整数1，2，3……。也就是说，这些平台是精确给定的，是不以材料、器件尺寸的变化而转移的。它们只是由基本物理常数h(普朗克常数)和e(电子电荷)来确定。

这被称为整数量子霍尔效应，后来科学家还发现了分数量子霍尔效应。

当时，物理学者认为除了夸克一类的粒子之外，宇宙中的基本粒子所带的电荷皆为一个电子所带的电荷-e（e=1.6×10-19库伦）的整数倍。而夸克依其类别可带有±1e/3或±2e/3电荷。夸克在一般状况下，只能存在于原子核中，它们不像电子可以自由流动。所以物理学者并不期待在普通凝体系统中，可以看到如夸克般带有分数电子电荷的粒子或激发态。

但是在1982年，华人科学家崔琦和史特莫在二维电子系统中现了分数化的霍尔电阻平台。一开始是发现了?和?两个平台。之后他们制造出了更纯的样品, 更低的温度, 更强的磁场. 85mK 和 280kG, 这是人类第一次在实验室中实现如此低的温度和如此强的磁场(地磁场是 mG 的量级). 这样的实验技术令人叹为观止，他们也因此观察到了更加丰富的结构: 他们也因此观察到了更加丰富的结构。他们的发现由此被称为分数量子霍尔效应。

冯·克里津获得1985年诺贝尔物理学奖，而崔琦和史特莫则获得了 1998 年诺贝尔奖。到了2005年，英国科学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫。他们俩在2005年发现了石墨烯中的半整数量子霍尔效应，斩获2010年的诺贝尔物理学奖。

简单来说，量子霍尔效应一般都是在超低温和强磁场等极端条件下出现。在极端条件下，电子的偏转不再像普通霍尔效应中一样，而是变得更加剧烈并且偏转半径变得很小，仿佛就在导体内部围绕着某点转圈圈。也就是说，导体中间的部分电子被“锁住了”，要想导通电流只能走导体的边缘。

量子霍尔效应与霍尔效应最大的不同之处在于横向电压对磁场的响应明显不同. 横向电阻是量子化的:

2018年12月18日，英国《自然》杂志刊登复旦大学物理学系修发贤课题组的最新研究成果《砷化镉中基于外尔轨道的量子霍尔效应》，这也是中国科学家首次在三维空间中发现量子霍尔效应。

后来，中国科技大学与其合作团队在《自然》刊登论文表示，他们通过实验验证了三维量子霍尔效应，并发现了金属-绝缘体的转换。他们发现，人们能够通过控制温度和外加磁场实现金属-绝缘体的转化。这种原理可以用来制造“量子磁控开关”等电子元器件。三维量子霍尔效应材料中的电子迁移率都很快，电子能快速传输和响应，在红外探测、电子自旋器件等方面拥有应用前景。再次，三维量子霍尔效应因具有量子化的导电特性，还能应用于特殊的载流子传输系统。

这个时候，就要讲到量子反常霍尔效应了，因为霍尔效应实现量子化，有着两个极端苛刻的前提条件：一是需要十几万高斯的强磁场，而地球的磁场强度才不过0.5高斯；二是需要接近于绝对零度的温度。

在此背景下，科学家们又提出了一个设想：普通状态下的霍尔现象会出现反常，那么，量子化的霍尔现象是否也能出现反常？如果有，不是就可以解决外加高磁场的先决条件了吗？

也就是说量子反常霍尔效应它不依赖于强磁场而由材料本身的自发磁化产生。在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。自1988年开始，就不断有理论物理学家提出各种方案，然而在实验上没有取得任何进展。

我们可以用一个简单的比喻，来说明量子霍尔效应和量子反常霍尔效应之间的关系，我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进。

然而，量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，“相当于外加10个计算机大的磁铁，这不但体积庞大，而且价格昂贵，不适合个人电脑和便携式计算机。”而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。

2006年, 美国斯坦福大学张首晟教授领导的理论组成功地预言了二维拓扑绝缘体中的量子自旋霍尔效应，并于2008年指出了在磁性掺杂的拓扑绝缘体中实现量子反常霍尔效应的新方向。2010年，我国理论物理学家方忠、戴希等与张首晟教授合作，提出磁性掺杂的三维拓扑绝缘体有可能是实现量子化反常霍尔效应的最佳体系。这个方案引起了国际学术界的广泛关注。德国、美国、日本等有多个世界一流的研究组沿着这个思路在实验上寻找量子反常霍尔效应，但一直没有取得突破。因此量子反常霍尔现象也被称为物理学研究皇冠上的明珠。

量子反常霍尔效应实现非常困难，需要精准的材料设计、制备与调控。尽管多年来各国科学家提出几种不同的实现途径，但所需的材料和结构非常难以制备，因此在实验上进展缓慢。

2009 年，薛其坤和他的团队也开始了对量子反常霍尔效应的攻坚之路，薛其坤在许多人的眼里，并不算是一个天才。

1963 年，薛其坤出生山东省沂蒙山区的一个小村庄，家里兄弟姐妹比较多。读小学、中学时，农村条件还相对落后，大人们都在为生计而努力。薛其坤也没有做什么物理学家的梦，只是有书读那就读。后来，国家恢复高考的消息传来，薛其坤觉得不能浪费这个机会，就开始用心备战高考。

1980 年，17岁的薛其坤考入山东大学光学系，之所以选择光学系也是因为老师推荐了这个专业，对什么专业都不懂的薛其坤依葫芦画瓢填了这个专业。1984年毕业的薛其坤开始边工作边考研，结果考了三次才考上中科院物理所。1990 年硕士毕业之后，结果又花了 7 年时间才拿到博士文凭。

薛其坤有个外号，叫“7-11院士”。熟悉他的人都知道，早上7点进实验室，一直干到晚上11点离开，这样的作息，薛其坤坚持了20年。薛其坤认为自己既然不是“天才”，那就做个“笨人”吧。做好一个“笨人”，才是不容易的。

从2009 年，薛其坤团队经过近5年的研究，从拓扑绝缘体材料生长初期的成功，再到后期克服实验中的重重难关，薛其坤团队付出了常人难以想象的努力。但实验最终的成功与否，还要看一个标志性实验数据——在零磁场中，能否让磁性拓扑绝缘体材料的霍尔电阻跳变到欧姆的量子电阻值。

他们生长测量了1000多个样品。最终，他们利用分子束外延方法，生长出了高质量的Cr掺杂（Bi，Sb）2Te3拓扑绝缘体磁性薄膜，并在极低温输运测量装置上成功观测到了量子反常霍尔效应。这是首次在实验上发现量子反常霍尔效应。

2010年，课题组完成了对1纳米到6纳米（头发丝粗细的万分之一）厚度薄膜的生长和输运测量，得到了系统的结果，从而使得准二维超薄膜的生长测量成为可能。

2011年，课题组实现了对拓扑绝缘体能带结构的精密调控，使得其体材料成为真正的绝缘体，去除了其对输运性质的影响。

2012年初，课题组在准二维、体绝缘的拓扑绝缘体中实现了自发长程铁磁性，并利用外加栅极电压对其电子结构进行原位精密调控。

2012年10月，课题组终于发现在一定的外加栅极电压范围内，此材料在零磁场中的反常霍尔电阻达到了量子霍尔效应的特征值h/e2—欧姆——世界难题得以攻克。

课题组克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步一步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美的句号。

近5年艰苦卓绝的协同攻关，薛其坤团队克服薄膜生长、磁性掺杂、门电压控制、低温输运测量等多道难关，一步步实现了对拓扑绝缘体的电子结构、长程铁磁序以及能带拓扑结构的精密调控，最终为这一物理现象的实现画上了完美句号。

《科学》杂志的一位审稿人说：“这项工作毫无疑问地证实了与普通量子霍尔效应不同来源的单通道边缘态的存在。我认为这是凝聚态物理学一项非常重要的成就。”另一位审稿人说：“这篇文章结束了多年来对无朗道能级的量子霍尔效应的探寻。这是一篇里程碑式的文章。”

中国航天技术科学家的故事

实现量子反常霍尔效应清华大学薛其坤院士领衔的团队2013年成功观测到“量子反常霍尔效应”，被杨振宁称为诺奖级的科研成果。 “量子反常霍尔效应”的实现既是理论物理领域的突破，又具有极高的商用价值。 量子霍尔效应是整个凝聚态物理领域最重要、最基本的量子效应之一。 我们使用计算机的时候，会遇到计算机发热、能量损耗、速度变慢等问题。 这是因为常态下芯片中的电子运动没有特定的轨道、相互碰撞从而发生能量损耗。 而量子霍尔效应则可以对电子的运动制定一个规则，让它们在各自的跑道上“一往无前”地前进，“这就好比一辆高级跑车，常态下是在拥挤的农贸市场上前进，而在量子霍尔效应下，则可以在‘各行其道、互不干扰’的高速路上前进。 ”量子霍尔效应的产生需要非常强的磁场，而量子反常霍尔效应的美妙之处是不需要任何外加磁场，在零磁场中就可以实现量子霍尔态，更容易应用到人们日常所需的电子器件中。 现代芯片处理器消耗约100瓦的功率，其中有约80%浪费在晶体管材料的能耗。 量子反常霍尔效应可以解决电子设备的问题发热，让元器件集成密度大大提高，“上千亿次的计算机能够集成浓缩成一部Pad掌上电脑，或者迷你Pad，走进寻常百姓家，这完全有可能。 ”量子反常霍尔效应的示意图：拓扑非平庸的能带结构产生具有手征性的边缘态，从而导致量子反常霍尔效应

关于团结的事例 故事

1、《喝汤》

有一个装扮像魔术师的人来到一个村庄，他向迎面而来的妇人说：“我有一颗汤石，如果将他放入烧开的水中，会立刻变出美味的汤来，我现在就煮给大家喝。”

这时，有人就找了一个大锅子，也有人提了一桶水，并且架上炉子和木材，就在广场煮了起来。这个陌生人很小心的把汤石放入滚烫的锅中，然后用汤匙尝了一口，很兴奋的说：“太美味了，如果再加入一点洋葱就更好了。”立刻有人冲回家拿了一堆洋葱。陌生人又尝了一口：“太棒了，如果再放些肉片就更香了。”又一个妇人快速回家端了一盘肉来。“再有一些蔬菜就完美无缺了。”陌生人又建议道。在陌生人的指挥下，有人拿了盐，有人拿了酱油，也有人棒了其它材料，当大家一人一碗蹲在那里享用时，他们发现这真是天底下最美味好喝的汤。

2、《所谓命运》

一只鹰蛋从鹰巢里滚落了出来，掉在草堆里。有个人发现了他，以为是一只鸡蛋，把他拿回家去，放在鸡窝里。鸡窝里有一只母鸡正在孵蛋，他和其他的鸡蛋一样，被孵化了出来。于是，他从小就被当做一只小鸡，过着鸡一样的生活。由于长相古怪，许多的伙伴都欺负他。他感到孤独和痛苦。

有一天，他跟着鸡群在稻场上啄谷子。忽然，山那边一道黑影飞掠了过来，鸡们惊慌失措，到处躲藏。等到危机过去，大伙儿才松了一口气。“刚才那是一只什么鸟啊?”他问。他的伙伴告诉他：“那是一只鹰，至高无上的鹰。”“喔，那只鹰真是了不起，飞得那样潇洒!”他发出内心的羡慕，“如果有一天，我也能像鹰一样飞起来，那该多好!”“简直是痴心妄想!”他的伙伴毫不留情地训斥他说：“你生来就是一只鸡，甚至连鸡们都为你的丑陋感到丢脸，你怎么可能像鹰一样飞呢?”所谓命运，就是一只沦落在鸡窝里的鹰。

3、《钓鱼》

从前，有两个饥饿的人得到一个长者的恩赐，一根鱼竿和一篓鲜活硕大的鱼。

其中一个人要了鱼竿，另一个人要了一篓鱼，他们得到各自想要的东西后，分道扬镳。

其中一个马上把鱼烧起来吃了，结果死在了空空的鱼篓边。

另一个向海边走去，因为他知道海里有鱼，当他看到海洋的蔚蓝，用尽了最后的力气向海边跑去，结果他死在了海边。

另外同样有两个饥饿的人，他们也得到了同样的一根鱼竿和一篓鲜活硕大的鱼。

所不同的是，他们没有分开。

而是一起每餐煮一条鱼，然后向遥远的海边走去。

从此他们过着以捕鱼为生的日子，过几年，他们盖上了自己的房子，后来又各自取了妻子，生了小孩，过着幸福美满的生活。

故事前后两种截然不同的结果是因为，前者缺少合作精神，后者是通过合作相互帮助。

4、《雁的启示》

每年的九月至十一月，加拿大境内的大雁都要成群结队的往南飞行，到美国东海岸过冬。第二年的春天再飞回原地繁殖。在长达万里的航程中，他们要遭遇猎人的枪口，历经狂风暴雨、电闪雷鸣及寒流与缺水的威胁，但每一年他们都能成功往返。雁群一字排开成“V”字型时，这比孤雁单飞提升了71%的飞行能量。

当每只雁振翅高飞，也为后面的队友提供了“向上之风”，这种省力的飞行模式，让每支雁最大的节省能量。如果我们如雁一般向着共同的目标前进，彼此相互依存，分享团队的力量。当某只雁偏离队伍时他会立刻发现：单独飞行的辛苦及阻力，他会立即飞回团队，善用前面伙伴提供的“向上之风”。启示，如果我们如雁一般，我们就会在队伍中，跟着带队者到达目的地。我们接受他人的协助，并也要协助他人。

当前导的雁疲倦时，他会退到队伍的后方，而另一只雁则飞到他的位置上来填补。其实，艰难的任务需要轮流付出，我们要相互尊重、共享资源，发挥所有人的潜力。当某只雁生病或受伤时，会有其他两只雁飞出队伍跟在后面，协助并保护他，直到他康复，然后他们自己组成“V”字型，再开始飞行追赶团队。

其实，如果我们如雁一般，无论在困境或顺境时都能彼此维护，互相依赖，再艰辛的路程也不惧怕遥远。在队伍中的每一支雁会发出“呱呱”的叫声，鼓励领头的雁勇往直前。其实，生命的的奖赏是在终点，而非起点，在旅程中遭尽坎坷，你可能还会失败，只要团队相互鼓励，坚定信念，终究一定能够成功。

5、《狼的团队精神》

多么壮丽的场面!广阔无垠的旷野上，一群狼踏着积雪寻找猎物。它们最常用的一种行进方法是单列行进，一匹挨一匹。领头狼的体力消耗最大。作为开路先锋，他在松软的雪地上率先冲开一条小路，以便让后边的狼保存体力。领头狼累了时，便会让到一边，让紧跟在身后的那匹狼接替它的位置。这样它就可以跟在队尾，轻松一下，养精蓄锐，迎接新的挑战。

在一对头狼夫妇的带领下，狼群中每一匹狼要为了群体的幸福承担一分责任。比如，在母头狼产下一窝幼崽后，通常会有一位“叔叔”担当起“总保姆”的工作，这样母头狼就可以暂时摆脱责任，和公头狼去进行“蜜月狩猎”。狼群中每个成员都不希望做固定的猎手、保姆或哨兵——不过，每一匹狼都在扮演着至关重要的角色。

早在与成年狼嬉闹玩耍时，狼崽们就被耐心的训练承担领导狼群的重任。他们这样做是因为生活本该是这样。

成功的团体和幸福的家庭也是如此。每位成员不仅要承担自己的义务，还要准备随时承担起更大的领导责任。一个团体的生命里很可能就维系于此。

狼不仅与同类密切合作，还可以与其他种类的生物和睦相处。这样做的目的就是为了达到双方合意的目标，有时就单是为了好玩儿。

乌鸦就是一个例子。乌鸦富有空间观察的经验，当她发现一个受伤或死掉的猎物时，通常会像报信者一样，把狼和其他乌鸦叫到现场。狼可以撕开猎物的尸体，于是就为大家提供了足够享用几天的美食。

狼有时会闹着玩的扑向狡猾的乌鸦，乌鸦则会在狼进食的时候啄它的屁股。两种动物不仅能和平相处，而且很显然它们之间存在着依据大自然的效率法则和数千年的经验逐渐形成的错综复杂的合作关系。

狼与狼之间的默契配合成为狼成功的决定性因素。同样，它们与人类之间的默契配合也有助于改善两者的生活环境。

6．蚂蚁的故事

在南美洲的草原上，发生过这样一件令人惊心动魄的事。一个秋日的下午，一片临河的草丛突然起火，顺着风游走的火舌像一条红色的项链，向草丛中央一个小小的丘陵包围过来。

丘陵上无数的蚂蚁被逼得连连后退，它们似乎除了葬身火海已别无选择。但是就在这时，出乎意料的情形出现了，只见蚂蚁们迅速聚拢，抱成一团，滚作一个黑色的“蚁球”冲进火海。烈火将外层的蚂蚁烧得噼啪作响，然而，“蚁球”越滚越快，终于穿过火海，冲进小河。

河水把“蚁球”卷向岸边，使大多数蚂蚁绝处逢生。这个故事告诉我们一个道理：团结就是力量，只有团结起来才能化险为夷、战胜困难，只有团结起来，这些蚂蚁才能绝处逢生。