超算、AI、量子科學(xué)將因他改變！

6月24日，2023年度國家最高科學(xué)技術(shù)獎在京揭曉，李德仁院士、薛其坤院士獲得中國科技界崇高榮譽。作為凝聚態(tài)物理領(lǐng)域著名科學(xué)家，薛其坤是國家最高科學(xué)技術(shù)獎自2000年首屆評選頒獎以來最年輕的獲獎?wù)?。他率領(lǐng)團(tuán)隊在世界上首次實驗觀測到量子反?；魻栃?yīng)，并在國際高溫超導(dǎo)領(lǐng)域開啟了全新的研究方向。

記者：薛老師，這次您得的是國家最高科學(xué)技術(shù)獎，幾乎所有人都會問您這個問題，您的這個科研成果有什么用？

薛其坤：我這個成果應(yīng)該是科學(xué)上的一個成就，對國家建設(shè)成一個科學(xué)強國作了點貢獻(xiàn)，另外一點我想說的，總書記講了，基礎(chǔ)研究是科學(xué)體系的源頭，所有技術(shù)的總機關(guān)。

與以往國家最高科學(xué)技術(shù)獎多偏向于應(yīng)用不同，薛其坤的研究成果屬于基礎(chǔ)研究。而基礎(chǔ)研究領(lǐng)域的突破，往往是技術(shù)革命的前哨和關(guān)鍵。薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊在實驗室中的突破，為發(fā)展低能耗電子器件帶來更多希望。

記者：您剛才說的叫低能耗的應(yīng)用，未來有可能用到什么地方？

薛其坤：我們的芯片，打一會兒電話，或者用一會兒總是發(fā)熱的，我們的超級計算機總是要用空調(diào)把它冷下來，否則它就會燒壞，所有的電子器件都因為電阻的存在，出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。我們這個就可以提供一個消耗電很少的情況下，仍然可以運作的這么一種原理。

電子器件發(fā)熱的現(xiàn)象，不僅損害器件的使用壽命，也意味著能耗的增加。今天的信息產(chǎn)業(yè)、人工智能產(chǎn)業(yè)，依賴于超級計算中心對大數(shù)據(jù)的處理，而能耗和溫度正是超級計算中心需要解決的重要問題，傳統(tǒng)的地面數(shù)據(jù)中心使用重型的空調(diào)系統(tǒng)來冷卻設(shè)備，一項調(diào)查研究顯示，冷卻系統(tǒng)消耗的能量可達(dá)數(shù)據(jù)中心總能耗的40%。后來建造的數(shù)據(jù)中心，一般都選擇在深山或者離水較近的地方，利用外部空氣和水的蒸發(fā)來冷卻服務(wù)器。

記者：是不是就意味著以后的超算中心，就可以不見得非要選擇離水近的地方，或者說對能源條件要求非?？量痰牡胤搅耍?/p>

薛其坤：是的。基本上就可以不考慮空調(diào)問題了，我印象中世界上最快的超級計算機每天消耗二十萬度電，我估計到時候我們只用到三分之一的電就可以維持這樣一個超級計算機的發(fā)展，如果我們這個原理用上的話。我們這種東西的應(yīng)用就可以大大地減少能耗，可以支撐將來的AI的長期發(fā)展，可持續(xù)發(fā)展。

薛其坤：大家都知道量子計算機現(xiàn)在是全世界爭奪的一個戰(zhàn)略要地，我們國家在發(fā)展，全世界都在發(fā)展量子計算。但是量子計算機芯片的出錯率是非常高的，是制約量子計算機發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。如果按照我們理論上的預(yù)測，量子反常霍爾效應(yīng)可以為發(fā)展可糾錯的、可容錯的拓?fù)淞孔佑嬎銠C奠定科學(xué)基礎(chǔ)，所以一旦把這個用在拓?fù)淞孔佑嬎闵?，可以解決目前超導(dǎo)量子計算機不能解決的糾錯問題。

實驗室是實驗物理學(xué)家的主戰(zhàn)場，薛其坤是一位實驗物理學(xué)家，他和團(tuán)隊對量子反?；魻栃?yīng)和高溫超導(dǎo)材料的發(fā)力起始于2009年。

記者：您是怎么關(guān)注到這個課題的？

薛其坤：科學(xué)發(fā)展每到出現(xiàn)一個新的領(lǐng)域的時候，作為這個領(lǐng)域的科學(xué)家，要有非常敏銳的學(xué)術(shù)眼光。

在凝聚態(tài)物理研究中，量子霍爾效應(yīng)的研究一直被科學(xué)家們高度關(guān)注，此前在這方面的研究已經(jīng)三次獲得諾貝爾物理學(xué)獎。量子霍爾效應(yīng)為什么如此重要？從簡單實用的角度來說，它為制備低能耗的高速電子器件提供了理論基礎(chǔ)，但實現(xiàn)難度很大，因為需要外加龐大的磁場，費用昂貴。而量子反?；魻栃?yīng)不依賴強磁場就可以實現(xiàn)量子霍爾態(tài)，更容易應(yīng)用到人們?nèi)粘Ｋ璧碾娮悠骷小５珡牧孔臃闯；魻栃?yīng)被發(fā)現(xiàn)的一百多年來，通過什么方法實現(xiàn)這一效應(yīng)，使其現(xiàn)身并實現(xiàn)實驗觀測難度極大，一直是世界上無數(shù)科學(xué)家奮力追尋而不得的科學(xué)目標(biāo)。

2008年，華裔物理學(xué)家張首晟提出了在磁性拓?fù)浣^緣體中實驗量子反?；魻栃?yīng)的方向，引發(fā)各國科學(xué)家競相投入實驗。它需要首先完成對拓?fù)浣^緣體的制備，然后通過拓?fù)浣^緣體材料，觀察量子反?；魻栃?yīng)。在將近四年的時間里，薛其坤和團(tuán)隊對不同材料嘗試配比，試圖找到讓量子反?；魻栃?yīng)顯現(xiàn)的拓?fù)浣^緣體。

記者：就是在研究拓?fù)浣^緣體的過程中，什么時候最難，遇到的關(guān)最難過？

薛其坤：就是做不下去了，你不知道采取什么新的實驗方案。

記者：那您最煩的時候，覺得很黑暗，真的像茫茫大海，暗暗長夜？

薛其坤：基礎(chǔ)研究不確定性很大，但是我們還沒到暗無天日的時候，就是這一個實驗不順利，我們找不到怎么做下一步的實驗，我們實在不行就放棄這個領(lǐng)域，可以轉(zhuǎn)到新的方向。

薛其坤被學(xué)生稱為711先生，這是因為他常年保持著早晨7點開始，工作到晚上11點結(jié)束的生活節(jié)律。他出生在山東省臨沂市蒙陰縣，成長過程中經(jīng)歷過貧困。1980年，他參加高考，物理滿分100分，他考了99分，進(jìn)入山東大學(xué)光學(xué)系激光專業(yè)。但他在兩次研究生考試中，一次數(shù)學(xué)考了39分；另一次物理考了39分，直到第三次考試，才如愿成為中國科學(xué)院物理研究所凝聚態(tài)物理專業(yè)研究生。

薛其坤：我在準(zhǔn)備研究生考試的時候，第一次是對這個課，覺得自己不需要復(fù)習(xí)就行，疏忽了，第二次復(fù)習(xí)著重點又沒有到位，這兩次低分說明什么呢，就是說明你做一件事情的時候還是要認(rèn)真，要認(rèn)真去準(zhǔn)備。

記者：后來為什么，人家用四年就讀完了博士，您用七年讀完？

薛其坤：因為我后來選的做實驗物理學(xué)，我是1988年進(jìn)入實驗室，那個時候即使在中國科學(xué)院物理研究所，在科研條件方面，應(yīng)該是我們國家做基礎(chǔ)物理方面最強的了，但是仍然和國外的先進(jìn)的儀器相比還是差別比較大的， 所以花了五年的時間，也沒有取得非常像樣的結(jié)果。所以當(dāng)時在這個方向上，日本這個實驗室肯定是全世界最強的實驗室之一，通過導(dǎo)師留學(xué)時的朋友這個關(guān)系，把我作為中日聯(lián)合培養(yǎng)的博士生，送到了日本東北大學(xué)。

在日本學(xué)習(xí)期間，薛其坤一周工作6天，早上7點來實驗室，晚上11點之后才離開實驗室。每天就三件事，吃飯、睡覺、搞科研，有的時候困得坐在馬桶上都能睡著。

薛其坤：在日本看到生活水平差別巨大，連喝的、吃的，交通都非常方便。隨著自己留學(xué)時間的增長，你畢竟是一個中國人，你在國際舞臺上看到這種差別的時候，你作為一個中國人，你總覺得什么時候我們國家也能達(dá)到這個水平，所以經(jīng)過七八年留學(xué)的經(jīng)歷以后，我有兩點巨大的收獲：

第一點就是展寬了自己的學(xué)術(shù)視野，是把自己做研究的，做基礎(chǔ)研究的視野和思考的角度放到了世界這個范圍之內(nèi)。 第二點，就是一種強烈的感覺，為什么不能幫著國家做一點，也能像人家這樣有非常好的條件做科學(xué)研究，有非常富裕的經(jīng)濟(jì)條件過上美好的生活，這是我覺得當(dāng)時八年留學(xué)以后一個非常大的愿望。

憑借扎實功底和超常付出，薛其坤在日本留學(xué)期間就取得了他所在大學(xué)實驗室三十年來最大的科研成果。1998年，在材料科學(xué)領(lǐng)域已頗有名氣的薛其坤回國。2005年，薛其坤調(diào)入清華大學(xué)物理系。

薛其坤：我回國以后也要大展身手，也能用咱們的實驗室培養(yǎng)出世界上最優(yōu)秀的人才，因為我們的成果，我們的人才水平必須在國際舞臺上才能算，你做基礎(chǔ)研究，你不可能自己說我做出一個好東西，自己國內(nèi)找?guī)讉€人說說就是好，因為我們真正在世界這個眼光范圍內(nèi)，這個成果好不好要全世界人檢驗，所以當(dāng)時就有這股勁，在那里認(rèn)真學(xué)習(xí)，用“711”這種，幾乎是非人的這種工作時間掌握了最先進(jìn)的技術(shù)，結(jié)果最后回國以后確實也發(fā)揮了作用。憋著這股氣，就希望能減少差別，這種親身的經(jīng)歷如果沒有的話，你可能也沒有這種理想。

2009年起，薛其坤帶領(lǐng)科研團(tuán)隊，向拓?fù)浣^緣體和高溫超導(dǎo)的研究方向進(jìn)發(fā)。

記者：選材的過程對您來說難在哪？

薛其坤：按照我們科學(xué)原理的話，它需要制備出一個具有磁性的，還有拓?fù)湫再|(zhì)的，還能要絕緣的這么一個材料來。這三個性質(zhì)，往往互相矛盾，兩兩矛盾挺難了，三個還互相矛盾的時候，往往在做很多的選擇，做實驗方案上就非常為難。

2012年底，經(jīng)過四年如一日的努力，薛其坤帶領(lǐng)團(tuán)隊在世界上首次實驗觀測到量子反常霍爾效應(yīng)。

記者：曾經(jīng)走到您前面的那些國際同行，看您這么做，他們怎么講？

薛其坤：他們還是對你的實驗數(shù)據(jù)的真實性會提很多問題，盡管你不能說他是完全否定、懷疑你，他還是中間有一點這種疑惑，直到一年半以后，美國和日本的兩個實驗室重復(fù)出來才煙消云散。

2016年薛其坤獲得被稱為中國諾貝爾獎的“未來科學(xué)大獎”， 2019年獲得國家自然科學(xué)一等獎， 2020年獲得世界低溫物理最高獎的菲列茲倫敦獎，成為首位獲得這一榮譽的中國科學(xué)家。 2023年，美國物理學(xué)會宣布薛其坤獲得巴克利獎。巴克利獎被公認(rèn)為是國際凝聚態(tài)物理領(lǐng)域的最高獎。這也是該獎自1953年授獎以來首次頒發(fā)給中國國籍物理學(xué)家。

記者：為什么您能夠設(shè)計出這個實驗?zāi)兀?/p>

薛其坤：基礎(chǔ)研究需要深厚的積累，需要長期的努力，除了你本身的才華以外，99%的努力是必須的。所以我有一個，可能是大家對我的評價，就是追求極致的典型。比如說我告訴我的學(xué)生，你做這個實驗的時候，只要你做完這個實驗，基本上別人就覺得沒有油水可撈了，你做就把它做到極致。

2013年，薛其坤擔(dān)任清華大學(xué)副校長；2020年，薛其坤出任南方科技大學(xué)校長。今年，薛其坤已經(jīng)61歲了，但他依然保持著“711”的生活節(jié)奏，依然雄心勃勃。

記者：我們老說國外的確是物理基礎(chǔ)學(xué)科發(fā)展的時間早，另外成就也比我們更大一些，但是我們?nèi)绻煌?，加倍辛苦去追趕，總會有追上的那一天，所以您這么不計日夜地工作。

薛其坤：是的，人家也是經(jīng)過了多少年的積累，我們要想盡快減少這種差距的話，肯定要多付出一些，想彌補這個區(qū)別是每個人的責(zé)任，減少這種差別追趕上去是我們整個國家的事，但是這需要每一個人的努力，起碼我把我自己能做的要做到最好。

記者：事實上您的實驗室就證明了，自己的力量也是很大的。

薛其坤：對，超出了我的想象，你可能知道，我培養(yǎng)的，跟著我拿到博士后的有120多人，我感到驕傲的是我的很多學(xué)生都做得非常好，都留到了學(xué)術(shù)界。我還是非常喜歡我的工作，不管是帶學(xué)生做科學(xué)研究，還是管理好一個大學(xué)，只要身體允許，我還是希望我更多的時間放在自己喜歡的工作上面。所以我經(jīng)常有時候自嘲，生命不息，奮斗不止，我很享受。