打開我們的電腦、手機等日常設(shè)備，你就會發(fā)現(xiàn)，諾貝爾獎的成果離我們的生活之近，遠(yuǎn)超想象：
晶體管——1956年諾貝爾物理學(xué)獎
集成電路——2000年諾貝爾物理學(xué)獎
顯示屏里的液晶原理——1991年諾貝爾物理學(xué)獎
液晶屏后面的LED——2014年諾貝爾物理學(xué)獎
供電的鋰電池——2019年諾貝爾化學(xué)獎
電腦的磁盤——2007年諾貝爾物理學(xué)獎
攝像頭后面的CCD——2009年諾貝爾物理學(xué)獎
墻上WiFi連的光纖——2009年諾貝爾物理學(xué)獎
光纖里的激光——1964年諾貝爾物理學(xué)獎
GPS衛(wèi)星上的原子鐘——1989年諾貝爾物理學(xué)獎
除了獲得2019年諾貝爾化學(xué)獎的鋰電池之外，其他成果都獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。
縱觀這些成果，它們是信息技術(shù)的重要組成部分，其背后的原理都來自于量子力學(xué)。物理學(xué)家們在以量子力學(xué)為基礎(chǔ)的凝聚態(tài)物理和量子光學(xué)等物理學(xué)科基礎(chǔ)上，開發(fā)出了改變世界的信息技術(shù)，催生了人類第三次科技革命（信息革命）。
今天，我們就從信息革命的主角——半導(dǎo)體說起。
文 | 張文卓
編輯 | 王乙雯 瞭望智庫
本文為瞭望智庫原創(chuàng)文章，如需轉(zhuǎn)載請在文前注明來源瞭望智庫（zhczyj）及作者信息，否則將嚴(yán)格追究法律責(zé)任。
1
從半導(dǎo)體到集成電路
一部“硅谷誕生史”
半導(dǎo)體，顧名思義，導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間。早在1833年，半導(dǎo)體現(xiàn)象就被電磁學(xué)的奠基人法拉第發(fā)現(xiàn)，但到20世紀(jì)初，物理學(xué)家也一直無法了解其中的原理。直到量子力學(xué)的建立，半導(dǎo)體的導(dǎo)電原理才迎刃而解。
如何理解這一過程？要從原子說起。
量子力學(xué)告訴我們，原子通過化學(xué)鍵形成分子，化學(xué)鍵來自不同原子最外層電子的配對。這些最外層電子被稱為“價電子”，它們不僅屬于之前所在的原子，也屬于與之成化學(xué)鍵的電子之前所在的原子。如果每一個原子的價電子都會與周圍多個原子的價電子形成化學(xué)鍵，那么這個“大分子”可以無限地擴展下去，這就形成了固體。
在固體中，原子一般按照周期性排列（即晶體），那么這些價電子如同置身于在一個周期性的原子吸引陣列中，稱之為“晶格”。1928年，菲利克斯·布洛赫通過求解周期勢阱中的薛定諤方程來解決晶體中價電子的行為，得出了布洛赫定理。在該定理中，電子的波函數(shù)具有了和晶格周期一樣的周期分布，并且能量分布已經(jīng)不再是單個原子中形成的能級，而是變成了“能帶”，這就是建立在量子力學(xué)上的固體能帶理論。
【注：1952年，布洛赫獲得了諾貝爾物理學(xué)獎。有趣的是，他所獲獎憑借的并不是由他開創(chuàng)的能帶理論，而是屬于量子光學(xué)的核磁共振理論?！?/p>
當(dāng)周期性的原子吸引陣列對價電子的吸引較弱，即晶格的勢能較淺的時候，可以對布洛赫定理做自由電子近似，得到的結(jié)果能夠很好地描述導(dǎo)體中的價電子的行為。也就是說，導(dǎo)體中價電子的能帶很高，接近自由電子。我們稱自由電子的能帶為“導(dǎo)帶”，價電子的能帶為“價帶”。對于導(dǎo)體來說，導(dǎo)帶和價帶是重合的。
當(dāng)周期性的原子吸引陣列對價電子的吸引較強，即晶格的勢能較深的時候，可以對布洛赫定理做緊束縛近似，即電子波函數(shù)變?yōu)橐唤M局域化的旺尼爾函數(shù)。這個函數(shù)能夠描述絕緣體中價電子的行為，即絕緣體中，價電子都緊緊束縛在原子周圍，電子需要增加很多的能量才能接近自由電子，也就是說電子的“價帶”離“導(dǎo)帶”能量差很多。
那么半導(dǎo)體就比較容易理解了，它的價電子的能帶正好處于導(dǎo)體和絕緣體之間。也就是說，半導(dǎo)體的“價帶”離“導(dǎo)帶”非常近：當(dāng)外界操作（如加電壓或者用光照射）讓它的價電子的能量升高，從價帶進(jìn)入導(dǎo)帶，那么它就變成了導(dǎo)體。讓它的價電子的能量降低，它就會回到價帶，變成絕緣體。
圖中從左至右依次為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的導(dǎo)帶（藍(lán)）和價帶（紅）對比。
正是半導(dǎo)體的出現(xiàn)，讓數(shù)字計算機變小變輕成為可能，最終走進(jìn)千家萬戶、走到每個人的手中。而數(shù)字計算機的發(fā)明，離不開“二進(jìn)制運算”的發(fā)明。
我們知道，計算機用比特（0或1）作為信息的最小單元，采用二進(jìn)制計數(shù)法，用輸入比特來操作輸出比特的結(jié)果，從而實現(xiàn)各種數(shù)字邏輯門的功能。只要能實現(xiàn)這些二進(jìn)制數(shù)字邏輯門，就可以實現(xiàn)任意二進(jìn)制運算，也就實現(xiàn)了數(shù)字計算機。
二進(jìn)制數(shù)字邏輯門。
1946年誕生于美國的ENIAC（Electronic Numerical Integrator And Computer，即電子數(shù)字積分計算機），是世界上第一臺數(shù)字計算機。它使用了大量的真空電子管來實現(xiàn)二進(jìn)制數(shù)字邏輯門，體積龐大到占用一百多平方米的房間，重量達(dá)到28噸。
當(dāng)年這些龐大的電子管計算機經(jīng)常被飛來的蟲子搞短路，所以當(dāng)時修理計算機的工作就是到處清理這些蟲子?，F(xiàn)在把程序的錯誤稱為“bug”，其實就來自于它的本意“蟲子”，排除計算機故障就叫做“debug”。
半導(dǎo)體是如何讓笨重的數(shù)字計算機“縮小”的呢？
答案是晶體管。利用半導(dǎo)體制成的晶體管，可以通過施加電壓來控制其中的電流和其兩端的電壓，即輸入比特用0表示不施加電壓，用1表示施加電壓；輸出比特用0表示沒有電壓，用1表示有電壓。
下圖就是用晶體管實現(xiàn)各類數(shù)字邏輯門的例子，輸入比特（input A，B）作為電壓可以控制輸出比特（output C）的值。
用晶體管實現(xiàn)的各類數(shù)字邏輯門。
在半導(dǎo)體晶圓上刻制大量的晶體管邏輯門，實現(xiàn)通用二進(jìn)制數(shù)字計算功能，就成了集成電路，即通常所說的芯片。集成電路是一切電子設(shè)備的核心，沒有它，就沒有電腦和手機，甚至連收音機和電視機都不會有。
可以說，從晶體管到集成電路的歷史就是一部硅谷的誕生歷史。
從肖克萊到“八叛逆”，從仙童到英特爾，這一段歷史是20世紀(jì)后半段最值得寫的歷史。
【編者注：1947年底，肖克萊和巴丁、布拉頓一起發(fā)明了世界上第一只點接觸型晶體管，從而引發(fā)了一場電子工業(yè)革命。1955年，肖克萊回到老家圣克拉拉谷（硅谷），創(chuàng)辦了肖克萊半導(dǎo)體實驗室。1957年，實驗室里的8位年輕精英提出辭職，肖克萊稱他們?yōu)椤芭淹健?，時稱“八叛逆”。這8位年輕科學(xué)家成立了仙童半導(dǎo)體公司，之后他們又先后離開仙童，開始各自創(chuàng)辦公司。最出名的，就是1968年由諾伊斯和摩爾共同創(chuàng)立的英特爾（IntegratedElectronics）。來源：中國數(shù)字科技館】
2
從量子光學(xué)到激光通訊
將全世界連接起來
光學(xué)是物理學(xué)最古老的一個分支，從古至今經(jīng)歷了幾何光學(xué)、波動光學(xué)、量子光學(xué)三個時代。其中幾何光學(xué)與波動光學(xué)近似，屬于經(jīng)典物理學(xué)的一部分，在麥克斯韋用他的方程組推導(dǎo)出電磁波后，便和電磁學(xué)統(tǒng)一在一起。實際上，電磁波（光）和經(jīng)典力學(xué)原理存在矛盾，其速度（光速）不變性最終導(dǎo)致了愛因斯坦發(fā)現(xiàn)狹義相對論，還有其波粒二象性最終導(dǎo)致了量子力學(xué)的出現(xiàn)。
與經(jīng)典光學(xué)不同，量子光學(xué)是完全建立在量子力學(xué)基礎(chǔ)上的“上層建筑”。也就是說，量子力學(xué)最終使人類認(rèn)識了光的本質(zhì)——光是由光量子（光子）組成的，且光子之間具有量子相干性。
光的量子本性為人類帶來了意想不到的收獲，那就是激光。
*激光理論最早可以追溯到1917年愛因斯坦對光電效應(yīng)的進(jìn)一步研究，他提出了“受激吸收、受激輻射、自發(fā)輻射”三個物理過程。但是當(dāng)時量子力學(xué)還未建立，所以屬于唯象理論。
*量子力學(xué)建立以后，1950年法國物理學(xué)家卡斯特勒利用量子力學(xué)預(yù)言并發(fā)現(xiàn)了“光泵浦”現(xiàn)象，并獲得了1966年諾貝爾物理學(xué)獎。
*隨后幾年，美國物理學(xué)家湯斯、蘇聯(lián)物理學(xué)家普羅科諾夫和巴索夫分別發(fā)現(xiàn)光泵浦可以導(dǎo)致原子能級的布居數(shù)反轉(zhuǎn)，并能使微波的受激輻射放大（maser），他們因此獲得了1964年諾貝爾物理學(xué)獎。
*1957年，湯斯和他的博士后肖洛預(yù)言微波的受激輻射放大可以推進(jìn)到可見光波長，即激光。
*1960年，梅曼發(fā)明了第一臺光的受激輻射放大裝置，即激光器。隨后激光器被大量研制出來并應(yīng)用到了光學(xué)研究當(dāng)中。肖洛后來和布洛姆伯根通過激光光譜學(xué)獲得了1981年諾貝爾物理學(xué)獎。
憑借其他光源不可比擬的單色性和準(zhǔn)直性，激光成為了人類最重要的光源之一。在工業(yè)上，激光已經(jīng)作為最鋒利的切割刀來使用。
不過，讓激光能成為和半導(dǎo)體集成電路具有相同“江湖地位”的關(guān)鍵，是激光通信的出現(xiàn)。
在激光出現(xiàn)之前，最先進(jìn)的通信方式有兩種：一個是用電磁波的無線通信，另一個是用電流的有線通信。無線通信一直應(yīng)用至今，包括早期的射頻無線電，到微波頻率的模擬信號，又到2G、3G、4G甚至5G數(shù)字通信，這是激光通信不能取代的。但對于有線通信來說，一根電線一次同時只能傳輸一個電流，無論是模擬信號還是數(shù)字信號，信息傳輸能力都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及激光。
光纖的出現(xiàn)為激光通信的大范圍應(yīng)用鋪平了道路。在一根光纖中，可允許不同頻率的激光同時傳播且互不影響（光源之間不相干），因此信道容量遠(yuǎn)大于電線。尤其對于遠(yuǎn)距離通信，激光在光纖中的能量損耗遠(yuǎn)小于電流在導(dǎo)線中的損耗，因此光纖的發(fā)熱量也遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電線。這些優(yōu)勢使得光纖激光通信成為了通信電纜的“完美”替代品。華人物理學(xué)家高琨是遠(yuǎn)距離低損耗光纖的發(fā)明人，他也因此獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。
如今，激光通信使用的海底光纜已經(jīng)遍布全球各大洋，將全世界連接起來。城市中每個家庭、學(xué)校和辦公樓都有了光纖寬帶入戶，每一住戶無論網(wǎng)線還是無線WiFi，所有的信息都要從墻里的那根光纖進(jìn)出。
光纖激光通信已經(jīng)成為了高速互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，支撐起了當(dāng)今世界龐大的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)。如果沒有光纖激光通信，我們的信息傳播會仍然停留在打電話的階段，電線極低的信息傳輸速率和高損耗，使得互聯(lián)網(wǎng)只能是極少數(shù)人的“奢侈品”，并且只能發(fā)電子郵件，觀看網(wǎng)絡(luò)視頻更無從談起。
和半導(dǎo)體集成電路一樣，這個源自于量子光學(xué)的發(fā)明——激光，成為了信息時代最重要的角色，徹底改變了人類的生活。
3
巨磁阻效應(yīng)和磁盤
信息存儲的奧秘
前面提到，半導(dǎo)體和激光在信息時代的地位舉足輕重，半導(dǎo)體集成電路負(fù)責(zé)計算，激光負(fù)責(zé)通信。此外，還有一個非常重要的層面——信息存儲。“計算—通信—存儲”三者相輔相成，構(gòu)成了信息的流動范圍。
二進(jìn)制信息的存儲方式主要有三種：第一種是半導(dǎo)體存儲，即半導(dǎo)體閃存原理，每個晶體管以是否導(dǎo)電來代表0或1。我們平常使用的電腦內(nèi)存條、U盤、固態(tài)硬盤等，都是半導(dǎo)體閃存。第二種是光存儲，即光盤。在光盤材料上雕刻滿微小的鏡子，以反射的激光是否按照要求的方向來代表0或1。第三種的歷史最為悠久，那就是磁性存儲，即利用固體的磁性來記錄信息。
物體的磁性是量子力學(xué)決定的，而電子自旋是量子力學(xué)和狹義相對論結(jié)合的結(jié)果。每個電子都具有1/2自旋，當(dāng)和電磁場（光子）相互作用時就表現(xiàn)出一個磁矩，即電子的自旋軸方向會和外界磁場方向趨于一致。
“當(dāng)一個物體具備沒有填滿的電子軌道時，這些原子的電子自旋沒有相互配對抵消，那么剩下的這些電子的自旋就會順著磁場方向排列，即表現(xiàn)為順磁性。當(dāng)一個物體由電子軌道都被填滿的原子組成時，順磁性就會消失，電子軌道角動量因為電磁感應(yīng)而產(chǎn)生的抗磁性會表現(xiàn)出來（遠(yuǎn)小于電子自旋的順磁性）。當(dāng)一個物體的原子最外層電子軌道剛好填滿了一半，那么這些電子會自發(fā)地讓自旋方向一致，從而保持能量最低。大量電子一致的自旋方向就讓這個物體表現(xiàn)出了宏觀的磁場，這個就是鐵磁性的，例如磁鐵?！?/p>
正是海森堡在1928年通過電子自旋給出了鐵磁性的這個量子力學(xué)解釋，讓人們認(rèn)識到物體的磁性直接來自于量子力學(xué)決定的電子自旋。
在二進(jìn)制信息大規(guī)模使用之前，磁帶已經(jīng)作為模擬信號的存儲方式得到了廣泛的應(yīng)用。即聲音、影像等轉(zhuǎn)化為模擬信號電流，通過電流的磁場變化把電流信號記錄在磁帶的磁性粉末的排列順序上。信息讀取時通過強磁性的磁頭讀取這些磁性粉末的排列，再轉(zhuǎn)化為之前的電流信號。隨著20世紀(jì)80年代計算機大規(guī)模普及，傳統(tǒng)的磁帶和磁頭已經(jīng)無法滿足數(shù)字信息時代的需求。
1988年，法國物理學(xué)家菲爾特和德國物理學(xué)家格倫貝格發(fā)現(xiàn)了巨磁阻效應(yīng)，即一種材料的電阻對外界磁場方向極其敏感。巨磁阻材料由兩層鐵磁性材料中間夾一層非鐵磁性材料所構(gòu)成。
當(dāng)這兩層鐵磁性材料的磁矩方向相同時，巨磁阻材料的電阻會非常小。當(dāng)這兩層鐵磁性材料的磁矩方向相反時，巨磁阻材料的電阻會變得非常大。所以用巨磁阻材料去掃描鐵磁性顆粒，這些顆粒會改變靠近它的一層鐵磁性材料的磁場方向（即磁化），而這個方向的改變會導(dǎo)致巨磁阻材料內(nèi)部電流的巨大變化。
因此可以用微小磁性顆粒的磁場方向存儲信息：用巨磁阻材料作為磁頭，對應(yīng)磁頭上無電流和電流最大的兩個磁場方向編碼為0和1，這樣就可以將大量比特存儲在一張磁盤上，用巨磁阻磁頭讀寫，這就是電腦硬盤的原理。
巨磁阻材料讓電腦硬盤成為了存儲可讀寫信息的密度最大介質(zhì)，菲爾特和格倫貝格因此獲得了2007年諾貝爾物理學(xué)獎。
同光盤被取代一樣，雖然磁盤也有被基于半導(dǎo)體閃存的固態(tài)硬盤所取代的趨勢，但是目前的大容量存儲市場依舊以磁盤為主流硬盤。因為固態(tài)硬盤無論是壽命還是容量，目前還無法和最好的磁盤相比。
不過，隨著半導(dǎo)體閃存技術(shù)不斷更新?lián)Q代，磁盤也有可能像光盤一樣成為歷史，但這絲毫不影響磁性材料為信息革命做出的重要貢獻(xiàn)。
4
顯示器和數(shù)碼攝像頭
與現(xiàn)實世界的交互
我們常用的電腦和智能手機等設(shè)備，除了需要具備對二進(jìn)制數(shù)字信息進(jìn)行通訊、計算、存儲三個主要功能以外，還需要和現(xiàn)實世界進(jìn)行交互。比如，通過錄音、拍照和攝像把現(xiàn)實世界的聲音和圖像轉(zhuǎn)化為二進(jìn)制數(shù)字信息；再通過顯示器和揚聲器把數(shù)字信息轉(zhuǎn)化成圖像和語音，讓人能夠看見和聽見。
這些圖像的輸出和采集設(shè)備中到處可以看見量子光學(xué)的影子。
在介紹激光時，我們提到激光就來自于物質(zhì)對光的受激輻射。而物質(zhì)的自發(fā)輻射發(fā)光和激光不同，它是由組成物質(zhì)的原子與光的真空態(tài)相互作用的結(jié)果。
【注：光的真空態(tài)：狄拉克對電磁波（光）的量子化結(jié)果，使得電磁場有一個粒子數(shù)為零但能量不為零的真空態(tài)（每個頻率上的真空態(tài)能量都為半個光子能量）。一些教材在介紹這個真空態(tài)的時候，通常都用卡西米爾效應(yīng)舉例子，但實際上卡西米爾效應(yīng)并不是單純由真空態(tài)引起的，而是由真空中不斷產(chǎn)生和湮滅的虛光子導(dǎo)致的。真正純粹來自真空態(tài)的可觀測現(xiàn)象是自發(fā)輻射?！?/p>
1930年，奧地利物理學(xué)家韋斯科普夫和匈牙利物理學(xué)家魏格納在量子力學(xué)基礎(chǔ)上建立了光的自發(fā)輻射理論，即電子（或者原子核）與光的真空態(tài)發(fā)生相互作用時，會自發(fā)地從高能級躍遷到低能級并向四面八方輻射出光子。凡是被外界能量激發(fā)到某個激發(fā)態(tài)能級或能帶的電子，都會產(chǎn)生自發(fā)輻射現(xiàn)象，躍遷回基態(tài)并發(fā)射出光子。
任何非激光的發(fā)光本質(zhì)上都和自發(fā)輻射有關(guān)，包括黑體輻射。
在日常生活中最常見的可見光波長的自發(fā)輻射現(xiàn)象就是熒光。從熒光粉，到日光燈，一直到LED（發(fā)光二極管）都屬于自發(fā)輻射熒光現(xiàn)象。還有螢火蟲，其腹部的熒光也是蛋白質(zhì)分子里電子產(chǎn)生的自發(fā)輻射。
重點要說的是LED。由于是半導(dǎo)體材料，其導(dǎo)電的電子的能級被“電子—空穴對”限制得比較窄，甚至接近原子能級的寬度，因此可以發(fā)出單色性非常好的自發(fā)輻射。LED省電、發(fā)熱小，成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于激光，在不要求光準(zhǔn)直性的情況下比激光更有優(yōu)勢。因此，LED逐漸淘汰了傳統(tǒng)的燈泡和日光燈，成為了目前人們所使用的主要光源。
我們電腦和手機使用的顯示器屬于液晶顯示器，但液晶本身并不發(fā)光，只有選擇讓光通過多少百分比的功能，所以液晶顯示器的發(fā)光部分其實源自于背后的LED屏。LED屏發(fā)出的白光先經(jīng)過紅綠藍(lán)三色像素過濾屏，再經(jīng)過液晶屏調(diào)節(jié)每一個像素的亮度（紅綠藍(lán)三色像素每一個前面都有一個液晶像素，通過透過光的亮度來選擇顏色比例），最終顯示出我們在屏幕上看到的圖像。
LED出現(xiàn)以后，紅光和綠光很快出現(xiàn)，但藍(lán)光波長的LED一直是個“硬骨頭”，直到中村修二、赤崎勇、天野浩三人解決了這一難題，LED才得以廣泛應(yīng)用到今天。三人因此獲得了2014年諾貝爾物理學(xué)獎。
在圖像的采集設(shè)備中，相機是人們生活中不可或缺的設(shè)備。
在20世紀(jì)，膠卷一直是記錄圖像的主要方式。拍在膠卷上的圖像需要在暗室中用藥水浸泡和透鏡放大才能呈現(xiàn)在照片上，俗稱“洗照片”。電影畫面也是每秒鐘拍攝24張圖像在膠片上，需要一張張洗出來?？恐u膠卷和洗照片，柯達(dá)公司一度成為全球最賺錢的公司。
今天，這一切隨著21世紀(jì)初數(shù)碼相機的大規(guī)模出現(xiàn)而被徹底改變了。而數(shù)碼相機最核心的部分，就是取代膠片的CCD感光芯片。
CCD全稱charge-coupled device（電荷耦合器件），由1969年貝爾實驗室的兩位工程師博伊爾和史密斯發(fā)明。CCD利用的就是半導(dǎo)體的光電效應(yīng)，由光子打在每個像素點上被電子吸收，電子變成自由電子形成電流，電流的大小正比于光子的數(shù)量。
光電效應(yīng)本質(zhì)上可以用量子光學(xué)中的光電離過程直接描述。CCD的參數(shù)里經(jīng)常提到“量子效率”這個詞，意思就是從一個像素點產(chǎn)生的自由電子數(shù)和照射在這個像素點上的光子數(shù)的比例。博伊爾和史密斯因為發(fā)明CCD獲得了2009年諾貝爾物理學(xué)獎。
如今，我們手機上的相機所用的感光芯片已經(jīng)從CCD替換為了CMOS，后者指的是一種制造集成電路的“互補金屬氧化物半導(dǎo)體”技術(shù)。用CMOS技術(shù)制造出的半導(dǎo)體感光芯片同樣采用光電效應(yīng)，量子效率比CCD差一些，但是成本和功耗遠(yuǎn)低于CCD。并且，每個像素的電流直接變?yōu)殡妷翰⒁远M(jìn)制數(shù)字信號傳給存儲器，使圖像處理速度更快。目前民用市場主要使用COMS，而CCD則主要在需要低噪音和高量子效率的科研及工業(yè)領(lǐng)域使用。
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原子鐘和GPS
精準(zhǔn)定義時間和方位
準(zhǔn)確地記錄時間是人類文明最重要的標(biāo)志之一。從古代的日晷到近代的鐘擺，時間的計量方式在不斷地進(jìn)化。工業(yè)革命時期發(fā)明的機械鐘表一直是人類機械制造工藝的頂峰。
到了20世紀(jì)下半葉，第三次科技革命（信息革命）讓石英晶體振蕩器成為了更準(zhǔn)確的計時方式，并大幅拉低了鐘表的價格。如今所有的電子設(shè)備中都配備著石英晶振來計時，它利用石英晶體在施加電壓時產(chǎn)生的振動頻率，計時精度一般能做到一年只差一秒左右，滿足我們?nèi)粘Ｉ钏琛?/p>
但是在高精尖的科技領(lǐng)域，人類需要更準(zhǔn)確的計時工具，那就要進(jìn)入微觀領(lǐng)域，借助量子力學(xué)的威力了。
利用量子力學(xué)計算電子在原子核周圍的分布得到電子在該原子中的能級結(jié)構(gòu)，并知道哪些原子的哪些電子能級具有較高的準(zhǔn)確性。選取適合的原子，把它的電子在準(zhǔn)確能級間躍遷輻射出的光子的準(zhǔn)確頻率測量出來，就是原子鐘的原理。
【注：根據(jù)量子力學(xué)，能量=普朗克常數(shù)×頻率，能級間隔越準(zhǔn)確，電子躍遷發(fā)射出的光子能量也就越準(zhǔn)確，且光子的頻率也越準(zhǔn)確?！?/p>
美國物理學(xué)家拉比（1944年諾貝爾物理學(xué)獎得主）在1945年率先提出了利用電子能級躍遷實現(xiàn)原子鐘的原理。1949年，拉姆齊改進(jìn)了拉比的原子束方法，讓原子束兩次通過微波場，大幅消除噪聲，獲得了更精確電子躍遷頻率，這個方法成為了原子鐘的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。拉姆齊因此獲得了1989年諾貝爾物理學(xué)獎。
今天的全球時間標(biāo)準(zhǔn)是用銫原子鐘定義的，即用銫-133原子（一般采用元素周期表最左側(cè)的一列的原子做原子鐘，因為它們最外層只有一個電子）的最外層電子的基態(tài)能級和第一激發(fā)態(tài)能級之間的頻率（能量差/普朗克常數(shù)）作為標(biāo)準(zhǔn)。
【注：一秒鐘定義為9192631770除以該頻率，也就是以該頻率振蕩9192631770個周期所需要的時間?！?/p>
除了銫原子鐘以外，氫原子鐘和銣原子鐘也得到了非常廣泛的應(yīng)用。這些采用常溫原子的原子鐘的時間準(zhǔn)確度已經(jīng)到了10的負(fù)13次方，即幾萬年只差一秒的水平。
1989年，由朱棣文、菲利普斯、塔諾季發(fā)展出的激光冷卻原子技術(shù)，可以將原子冷卻到幾十微開爾文的溫度（僅比絕對零度高十萬分之幾度），這樣由原子熱運動引起的能級不確定度被大幅壓縮，原子鐘的頻率穩(wěn)定度進(jìn)一步提高，時間準(zhǔn)確度可以達(dá)到10的負(fù)16次方量級，也就是幾億年才差一秒的水平。
最新的光學(xué)頻率原子鐘（即光鐘，用原子在可見光頻率的電子能級躍遷代替在微波頻率的電子能級躍遷）的時間準(zhǔn)確度可以達(dá)到10的負(fù)18次方量級，也就是從宇宙大爆炸到現(xiàn)在（138億年）才差一秒的水平。
原子鐘除了為人類社會提供精確的時間以外，還有一個非常重要的作用，就是全球?qū)Ш蕉ㄎ弧?/strong>
無論是美國的GPS系統(tǒng)、歐洲伽利略系統(tǒng)，還是我國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)，都需要天上幾十顆衛(wèi)星組成覆蓋全球的無線網(wǎng)絡(luò)，這些衛(wèi)星最核心的設(shè)備就是原子鐘。每顆衛(wèi)星都將原子鐘提供的時間信息作為信號發(fā)送給地面。地面每個接收器如果接收到兩個衛(wèi)星的時間信號，就可以通過時間差計算出自己離兩個衛(wèi)星的距離的差是多少（時間差乘以光速），這個差分布在一條雙曲線上。
當(dāng)接收器接收到第三顆衛(wèi)星的時間信號后，便又可以計算出和其他兩個衛(wèi)星的距離差，即另外兩條雙曲線。三條雙曲線的交點就是這個接收器相對三個衛(wèi)星的定位點，因此至少需要三顆衛(wèi)星來做定位。衛(wèi)星上的原子鐘提供的時間越準(zhǔn)確，導(dǎo)航系統(tǒng)的定位也就越準(zhǔn)確。
衛(wèi)星導(dǎo)航定位不僅大量用車載和船載，還有我們使用的每臺手機中，都安裝了微型的GPS接收器。通過相對多顆衛(wèi)星的定位來確定在地球上的位置，這也成為很多移動互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用必不可少的一個功能。
以上，從半導(dǎo)體到芯片，從激光通訊到磁盤存儲，從顯示屏到數(shù)碼相機，從原子鐘到衛(wèi)星定位……我們不難發(fā)現(xiàn)，量子論不僅改變了人類對世界的基礎(chǔ)認(rèn)知，也使我們的生活發(fā)生翻天覆地的變化。而量子論與信息科學(xué)的融合，正孕育著一場新的變革。
庫叔薦書
《大話量子通信》
張文卓 著
Sheldon 科學(xué)漫畫工作室 繪制
人民郵電出版社
介紹了量子力學(xué)的發(fā)展歷史
回顧了人類的第一次信息革命
展望了以量子通信和量子計算為代表的第二次信息革命。
