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2023-01-31
龔新高院士：計算物質(zhì)科學促進新材料的研發(fā)和突破
更新時間：2022-11-06 16:06:01作者：智慧百科
11月3日至5日，2022云棲大會在杭州舉行，中國科學院院士、復旦大學教授、廣東以色列理工學院校長龔新高在會上作了主題為“計算物質(zhì)科學促進新材料的研發(fā)和突破”的演講。
他在演講中提到，計算已經(jīng)成為理解實驗現(xiàn)象不可缺少的工具，計算技術(shù)的發(fā)展給物質(zhì)科學提供了很好的發(fā)展機會。
同時，物質(zhì)科學的發(fā)展為半導體技術(shù)提供了物理基礎(chǔ)，在電子芯片技術(shù)進入納米量級后更是需要物質(zhì)科學的計算模擬研究。計算機因物理而誕生，物理因計算機而進步。
中國科學院院士、復旦大學教授、廣東以色列理工學院校長龔新高。圖/復旦大學官網(wǎng)
以下為龔新高院士11月4日演講部分內(nèi)容（新京報貝殼財經(jīng)記者整理）：
今年云棲大會的主題是計算、進化、未來，我想跟大家交流物理跟計算的關(guān)系。大家都說上個世紀是物理學的世紀，在上個世紀中有很多物理學的偉大成就，其中量子力學的建立就是這樣的成果。量子力學給出了解微觀世界基本規(guī)律的理論框架，推動了上個世紀社會的偉大進步。在量子學領(lǐng)域已有十幾個諾貝爾獎獲得者，今年也是。
在量子力學剛剛建立不久的上世紀20年代末期，量子力學的重要參與者狄拉克先生在1929年有一個評論，說“描寫大部分物理學和整個化學的基本物理定律所必需的數(shù)學理論已經(jīng)完全清楚了，而困難之處僅在于方程過于復雜而無法求解。”從這以后三四十年，很多偉大的物理學家前赴后繼，都想讓問題得到解決，直到上世紀60年代中期才有所突破。
但是在這期間有個非常重要的成果，就是能帶理論的建立。能帶理論的建立讓人類真正從根本上理解了什么叫半導體，為后來半導體技術(shù)的飛速發(fā)展建立了堅實的物理基礎(chǔ)，今天我們才有了這么好的計算條件。
人類第一次用計算機來解決物理問題是在1950年。偉大的物理學家費米先生參觀美國的所謂巨型計算機的時候，看到這東西這么能干，就提出能不能做一些物理的模擬？有兩個小伙子就把這事情就做成了，該工作實際上為后面幾十年物理學的發(fā)展起到了重要的影響和推動作用。
從上世紀50年代初期開始，科學家就開始大量使用計算機來研究物質(zhì)科學。通過幾十年的發(fā)展，逐漸演變成為了物理學中一個標準的研究范式。現(xiàn)在，從事計算研究的物理人肯定比從事理論研究的人多，甚至可以跟從事實驗研究的人數(shù)相比，物理學是一門實驗科學，目前吸引了這么多計算人才從事物理研究，說明了計算的重要性。
為什么計算這么重要？它不僅是理解實驗現(xiàn)象不可缺少的工具，同時還具有解決以下三方面問題的優(yōu)勢：第一點，實驗上很難直接測量的物理，比如說拓撲量；第二點，實驗的條件很難達到，比如極端條件的物理行為；第三點，系統(tǒng)非常復雜，影響結(jié)果的因素可以很多，實驗上難以分辨出來。此時計算會解決這些方面的問題。
我們今天計算科學發(fā)展這么快，是因為我們計算能力的提升。過去60年，我們的計算速度大概提升了萬億次或者是百萬億次倍。過去的30年，中國科學家能感受到計算機的速度快了。但是中國的科學家使用的大多數(shù)核心軟件都是國外的。在軟件發(fā)展較快的那段時間，該領(lǐng)域科學水平相對還比較薄弱。我在這里也呼吁企業(yè)界、學界的各位朋友，希望共同努力發(fā)展計算物質(zhì)科學領(lǐng)域的核心軟件。
在目前情況之下，計算物質(zhì)科學發(fā)展不錯，但也面臨著很多挑戰(zhàn)。
機器學習在商業(yè)層面、技術(shù)層面有很大的潛能和應(yīng)用，在物質(zhì)科學的研究上同樣有無限的可能，實際上。在電子層次、原子層次、結(jié)構(gòu)層次，以及材料上等多個方面都有很好的應(yīng)用結(jié)果。我舉一個具體例子，物質(zhì)世界都是原子排列的，如果要問原子是怎么排列最好？這是一個數(shù)學上非常復雜的問題。人們過去做了很多努力。到現(xiàn)在為止，只能解決三四十個原子的排列的問題。而使用AI的辦法可以在效率上提高三個量級。我相信，隨著以后更多的發(fā)展，這方面可以做得更好。
另外，在材料方面，怎樣從計算出發(fā)把真正的材料設(shè)計出來？現(xiàn)在科學家已經(jīng)做出了很好的例子，人工智能技術(shù)更是加速了這方面的發(fā)展。
計算物質(zhì)科學能不能反過來為將來的計算、硬件提供服務(wù)？我覺得這是非?？赡艿摹，F(xiàn)在的電子芯片技術(shù)已經(jīng)發(fā)展到了納米量級或更小，量子效應(yīng)是不可忽略的、非常重要的。這個時候怎么優(yōu)化器件性能，科學家已經(jīng)開始了嘗試，即所謂的計算電子學，我認為能為下一代器件提供很好的支撐服務(wù)。
回到最開始的原點，物質(zhì)科學的發(fā)展為半導體提供了物理基礎(chǔ)，而計算機的發(fā)展也給物質(zhì)科學提供了很好的機會。計算機因物理而誕生，物理因計算機而進步。謝謝大家！
新京報貝殼財經(jīng)記者 羅亦丹 編輯 徐超 校對 劉軍