超導：改變未來世界
羅會仟，中國科學院物理研究所副研究員、科普作家、中國科學院青年創新促進會數理分會會長。獲首屆全國青年科學部落格大賽 “最佳科學部落格獎”、中國科普作家協會優秀科普作品金獎、上海市科技進步二等獎。創作《水煮物理》、《超導 “小時代”》等系列，參與撰寫《十萬個為什麽（第六版 物理卷）》、《物理學的足跡》、《新科技知識幹部讀本》等。
羅會仟 @演繹inSite 演講視頻鏈接：
以下為羅會仟老師演講文字稿：
（根據演講現場整理，基於原意有所刪減，完整版請看視頻）
大家好，我是來自中國科學院物理研究所的副研究員羅會仟，今天跟大家分享的是未來世界中非常重要的材料——超導材料，這也是我的科研的主要方向。
超導到底是什麽樣的材料？
首先從電開始說起，現在的社會實際已經離不開電了，電在未來是不可或缺的資源，但我們在用電的過程中會產生電的損耗。比如用高壓輸電的方式把發電廠的電輸送到家裡，長距離輸送後電損耗了 15% 以上。大家不要小看這 15%，如果把這 15% 節約下來，現在的能源也許可以多用 50 年、上百年，我們的子孫後代也許能夠更好地利用資源，也許我們可以度過地球的能源危機。
所以如何善用電呢？這就要借用超導材料。超導就是超級導電，這種材料的導電性非常好，以至於它的電阻是零，也就是說電流在流動的過程中是是零損耗的，所以說超導材料是讓電流更加有效的一種方式。
第一個發現的超導材料是金屬汞，就是常說的水銀，它的超導溫度很低，大概在 4.2K，零下 269 度。很多金屬材料都是超導材料，現在用的電線中作為導線的鋁就是超導體，但它在室溫下不超導所以存在一定的損耗。如果把電線換成超導材料，就可以讓電跑得更快跑得更好。
圖 | 電影《阿凡達》中的室溫超導體 “Unobtanium”（來源：《阿凡達》）
超導材料對科學非常重要。
比如大家總覺得粒子物理學家跟我們做凝聚態物理的好像沒什麽關係，但實際有很大關係。因為粒子物理學家或者高能物理學家，能幫助我們認識人類的未知極限和從來沒有達到的能量尺度，幫助我們看有沒有新的世界出現。
這需要造大型的粒子加速器、對撞機，要把基本粒子撞碎找更基本的粒子，甚至找更複雜的物理的機制。造大型的對撞機把粒子加速到人類前所未到的能量尺度就需要借助超導材料，因為超導材料是零電阻的並能提供非常強大的磁場，這種非常強大的磁場是加速粒子的重要的工具。
在歐洲的大型強子對撞機叫 LHC，希格斯粒子就是在那裡發現的，上面有多少個超導磁體呢？一共有 9300 個超導磁體，如果沒有超導磁體粒子物理學家基本上什麽活也乾不了，所以超導對基礎科研非常重要。
圖 | 一塊磁鐵漂浮在超導體之上（來源：Wikimedia Commons）
超導對未來的能源也非常重要。
地球上所有的能源都來自太陽，太陽是一個巨大的核聚變的氣球，它的溫度特別高，表面的溫度有幾十萬攝氏度，內部的溫度幾千萬甚至上億攝氏度。如果在地球上造一個所謂的人造太陽，也許地球上的人就不用再依賴化石燃料能源了，想象很美好當然實踐起來非常困難。
但是太陽這麽高的溫度拿到地球上怎麽辦？我們沒有任何容器能裝這麽高溫度的東西，因為一碰它都會氣化，那怎麽實現呢？
借助超導體提供的強大的磁場約束太陽裡主要的高溫等離子體，不讓它跟任何東西接觸使它周圍都是真空，熱量傳不出來我們就比較安全，就可能實現人工的可控的熱核聚變，學名叫做托卡馬克，又叫人造小太陽。
在中國我們就有好幾個人造小太陽，其中在合肥的科學島上我們有個全超導的托卡馬克。在歐洲我們正計劃著要建造一個非常大的，叫做國際熱核聚變裝置，也叫做 ITER，據說這個裝置完全運行就可以實現把一個國家的電全部解決，而人造太陽需要超導。
“我們每一位都有可能見證量子時代的到來！”
說到超導非常容易想到的是科幻，在科幻電影《阿凡達》裡有座懸浮的大山，懸浮是因為山裡藏著神奇的礦石，這個礦石在那個星球的環境下就是室溫超導材料。
圖 | 《阿凡達》中的哈利路亞山（來源：《阿凡達》）
大家不要覺得那只是科幻，其實在現實中完全可以實現。如果把一塊超導磁放到一個大概 0.5 特斯拉的磁場裡，就可以完全懸浮起來。這就利用了超導材料非常重要的磁性質，又叫完全抗磁性。一方面超導體一旦變成超導態，這個材料就像有金鐘罩鐵布衫一樣，磁場進不去而磁中心會繞著它走。另一方面非常重要的是超導體還能鎖住一部分磁場，磁力線能進去一部分，意味著磁場對超導材料有一定的約束力。
磁懸浮可以幹嘛？
最直接的就是磁懸浮列車，我們現在坐的高鐵最快的速度是 450 公里每小時，如果換成全部是超導的磁懸浮在實驗上已經能夠達到 600 公里每小時。
假想我們把磁懸浮列車放在一個真空的管道裡，把它空氣抽掉後空氣阻力也沒了可以跑得更快，快到什麽程度？快到比飛機還快，理論上真空中的超導磁懸浮列車可以跑到 3000 公里每小時以上，以後北京到上海只需要半個小時！
那跑這麽快安全嗎？
超導磁懸浮列車比常規磁懸浮列車更加安全，因為常規磁懸浮列車靠的是磁極的相吸或者相斥，一旦偏離平衡點很容易脫軌。但超導磁懸浮磁通線實際上進去了一部分，磁場跟超導材料有一定的相互作用，一旦偏離軌道會把它拉回來。如果想製動，就把這個材料升溫變得不超導，它就馬上落到軌道上產生摩擦製動。所以超導磁懸浮列車比傳統的磁懸浮列車更安全也更快捷。
圖 | 上海磁懸浮列車（來源：Pixabay）
這是對我們生活的改變，再想遠一點就是通訊。
十年前用非智能手機打電話時，經常發生串號的情況，是因為別人打電話頻率跟你的重疊，以前的濾波效果非常差。而利用阻抗很強的超導材料就可以造一個超導濾波器，它可以抗干擾，其實我們已經把這個超導濾波器放到天上去了，在天宮二號上就放了一個超導濾波器。當然超導濾波器不是用來跟外星人通訊，而是我們自己有一些比較秘密的通訊，不能讓大家知道的，可以說超導讓通訊更加安全。
另一方面超導還會讓量子應用變得更加日常。
量子是一切微觀粒子的總稱，超導材料的第三個性質就是超導現象，一種宏觀量子效應，本質是因為低溫時電子發生了量子效應，然後電子配對、凝聚，再形成超導。
現在用的手機、電腦芯片都是半導體芯片，如果把半導體芯片換成超導材料，利用超導材料量子相乾的性質製作量子芯片，那這種芯片控制的就不是電子通過不通過了，而是某一個特殊的量子通過不通過。比如最近中國科學家發現的馬約拉納費米子，是一個很神奇的量子態，我們可以控制它實現量子芯片。
圖 | 半導體芯片（來源：Pixabay）
如果能夠非常方便地用到超導材料，到底會對我們的生活、社會、科學帶來什麽樣的變化？
首先最直接的就是，所有用到電的地方都可以換成超導材料。把整個電網全部換成超導體就不用擔心輸電會損耗了，很遠的地方甚至整個地球都可以組成一個電網。我們可以在海上造很多發電機，把這些電全部用起來，未來可以做超級省電的超級電網，這是可以實現的其實並不遙遠。
第二是把電腦芯片換成量子芯片，可以構造量子計算機。量子計算機可以實現的方法有很多，那麽我們把芯片簡單地換成超導的芯片，是最快捷最有可能實現的一個途徑。量子計算機聽起來很懸，好像離我們特別遙遠，實際量子計算機已經悄悄地在我們生活裡出現了。
在幾年前，Google 買了一台叫做 D-wave 的量子退火機，它是量子計算的原型機，現在 IBM 公司自己造了一台叫 IBM Q，最近還剛剛升級變成 Q2 代，這就是嚴格意義上的量子計算機了。
雖說現在量子計算機還在蹣跚學步，性能也沒有那麽好，但第一台電腦誕生的時候，要堆三層樓那麽高，而我們現在用的任何一台手機都能超過第一台電腦的運算能量，所以科技的發展是不可想象的。
圖 | 量子計算機處理器（來源：Pixabay）
中國在量子通訊中是走在世界前列的，我們發射了世界上第一顆量子衛星叫做墨子號，可以利用量子衛星發射的光傳輸量子信號，這兩束光是有糾纏的，可以配一個保密的鑰匙，中間截獲信息是沒用的只有知道鑰匙密碼的人才知道傳遞什麽信息，所以它是一種非常保密的通訊手段。
但要實現這種量子通訊，其實有個非常關鍵的地方，就是接收天上的衛星發出的光，而且要非常精確地把每一個光子都收到，也就是地上的探測器是單光子探測器。
現在用的單光子探測器，主要用的是半導體矽，矽的效率相對值比較低，如果用超導材料做單光子探測器，探測效率至少可以達到 90% 以上，雖然成本要高一點但可以大大提高探測效率，提高量子通訊的快捷方便和安全性。
在生活中，我們可以在家裡造一個磁懸浮沙發，躺在一個雲朵的沙發上愜意地看電視；出門可以開磁懸浮汽車，速度可以非常快；天上甚至可以造一個磁懸浮的飛碟一樣的環，可以把樓造到天上去，不需要蓋地基了。未來的家居、出行都可能會帶來很深切的改變。
另外超導還可以造一個非常輕便的發動機，這種發動機不僅輕便，而且非常節約能源。我們可以造一個超級續航的核潛艇，潛到以前從來沒有到過的深海裡去，去看一看海溝裡究竟有沒有住著美人魚。
除了下海我們還可以上天，上天不只是在地球上的航天，甚至可以走的更遠。電影《太空旅客》講的就是地球已經不適於生存，人類必須去尋找未來家園。如果能實現超導的人工可控核聚變，飛船裝一個核聚變的發動機，所需要的燃料實際非常少，只要極其少量的氘和氚元素就可以飛 100 年，飛到人類從未到達的宇宙深處，去看看那裡有沒有適合我們生存的家園。
實際超導的未來已經到來了。量子計算這幾年非常火，中國也有雄心勃勃的量子計算的計劃，據說我們計劃要十年內擁有真正意義上的量子計算機，這十年已經悄悄地過了兩三年，所以我們每一位都有可能見證量子時代的到來，把我們的電腦換成量子計算機，把我們的手機換成量子手機，把我們生活裡所有用到電的地方都變成超導材料！
謝謝！
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