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光學名人
吳培亨

吳培亨,超導電子學家。南京大學教授,江蘇張家港人,1939年11月生于上海市。長期從事超導電子學的研究,尤長于超導電子器件的高頻(微波到太赫茲波段)應用,曾獲得國家自然科學三等獎(1990)、國家教委科技進步一等獎(1989)、全國科學大會獎(1978)等七項省部級以上的獎勵。1961年畢業于南京大學物理系。現任南京大學超導電子學研究所所長,兼中國電子學會超導電子學分會主任。2005年當選為中國科學院院士。

簡介

吳培亨,超導電子學家。南京大學教授。1939年11月生于上海市,原籍江蘇張家港。1961年畢業于南京大學物理系。現任南京大學超導電子學研究所所長,兼中國電子學會超導電子學分會主任。2005年當選為中國科學院院士

長期從事超導電子學的研究,尤長于超導電子器件的高頻(微波到太赫茲波段)應用。在探索有關物理過程的基本規律、發展新型的超導電子器件、推動超導電子器件的實際應用等領域開展研究工作,取得的主要成就涉及高溫超導體內的隧道過程;多種低溫和高溫超導結的制備、表征、高頻特性與應用;超導混頻器和高靈敏接收機、頻率精密計量、高精度高頻信號源;高溫超導薄膜的制備、加工、性能優化等方面。

基本信息

吳培亨,超導電子學家,南京大學電子科學與工程系教授、超導電子學研究所所長,主要學術兼職有國務院學位委員會學科評議組(物理、天文組)成員、中國電子學會超導電子學分會主任等。

原籍江蘇張家港,1939年11月生于上海市,1946年遷居蘇州,1956年畢業于江蘇省蘇州中學高中部,考入南京大學物理系,1961年畢業后留校任教至今。曾任南京大學研究生院院長、南京大學信息物理系主任、丹麥技術大學客座教授日本東京大學客座教授、日本東北大學客座教授和教授、德國尤利希研究中心客座科學家、英國國家物理實驗室和英國劍橋大學高級訪問學者等職,長期擔任國際超導電子學會議國際顧問委員會委員。

專長于超導電子學及其高頻(微波至太赫茲波段)應用。在探索超導體內有關物理過程的基本規律、據以發展新型的電子器件、努力推進實際應用等方面做了系統的工作。曾獲得國家自然科學三等獎(1990)、國家教委科技進步一等獎(1989)、全國科學大會獎(1978)等七項省部級以上的獎勵。取得的主要成就涉及高溫超導體內的隧道過程;超導結的制備、表征、高頻特性與應用;超導混頻器和高靈敏接收機、頻率精密計量、高精度高頻信號源;高溫超導薄膜的制備、加工、性能優化等方面。他所領導的南京大學超導電子學研究所是中國從事有關領域的研究與培養高級人才的最重要的基地之一。1979年8月至1980年10月在劍橋大學Cavendish實驗室作高級訪問學者。1980年10月至1981年12月在英國國家物理實驗室作訪問研究員。1988年5月至1988年6月在Denmark大學作訪問教授。1989年12月至1990年6月在德國ForschungszentrumJuelich作訪問科學家。1993年10月至1994年4月在日本東京大學作訪問教授。1995年5月至1995年6月在TechnicalUniversityofDenmark作訪問教授。1996年3月至1996年9月,在日本Tohoku大學作訪問教授。中國超導科技專家委員會委員江蘇省電子科技協會副主席,中國電子科技協會會員,IEE會員,IEEE高級會員

研究內容

量子計算機

量子計算機最基本的東西是什么呢?仍然是比特,但是這個比特的0態和1態是可以同時占據的,比如說某一定的概念占據其中的0態,另外一個概念占據1態,量子比特最重要的特點就是可以有兩個量子態,這兩個量子態是可以同時占據的。”吳培亨在演講中提到,有人認為19世紀是機器的年代,那個時候工業革命,是用各種各樣機器發展的。20世紀是信息的時代。21世紀是什么時代呢?有人說是量子的時代。現在許多國民經濟總產值里面的東西,至少有30%可以追溯到量子力學,沒有量子力學,國民經濟總產值里面30%的東西都沒有,比如激光等。不管怎么說,在21世紀的今天,量子理論、量子技術,是非常重要的。

普朗克提出一個理論,黑體輻射的量子理論。無論是黑體的輻射能量或者是吸收能量,不能夠是連續變化的,只能夠是最小單位的整數倍。比如說現在喝水,原則上說隨便你要喝多少,可以連續變化。但是黑體輻射的輻射能量或者吸收能量不可能連續變化,它發射的能量有一個最小的份額,吸收的時候也有一個最小的份額,這個最小的份額即最小的單位,就叫做量子。”吳培亨表示,普朗克提出輻射量子理論以后,成功地解決了黑體輻射的問題。但是在普朗克那個時代,大家覺得這個沒有道理,為什么一定是最小單位的一份?這個大家不大能接受。普朗克自己提出這個東西的時候,是作為計算的理論,是一種計算的方法。量子究竟是怎么回事,他自己也不知道。直到1905年,愛因斯坦研究光電效應,某一種金屬,把光打上去,在一定條件下金屬的電子可以脫離金屬跳出來。其中最基本的就是對于某一種金屬來說,有一個特定的頻率,照上去光的頻率一定要比特定的頻率高,電子才能夠打出來,如果比那個頻率低,打不出來。愛因斯坦解釋,光除了有波動性質之外,還有量子的性質,它是一顆一顆、一份一份的,只有當最小單元所含有的能量足夠大的時候,才能夠把電子打出來,而最小單位的能量,或者說每一個光子所攜帶的能量等于多少?等于某一個常數乘上光的頻率,這就解釋了當頻率太低的時候,一個光子所具備的能量不足以把電子從金屬里面打出來,愛因斯坦用的量子理論,成功地解釋了光電效應

量子計算機的好處

量子力學里面有許多主要的結論,與日常生活的概念聽起來是不一樣的,因為它處的對象是元子層次的世界。在日常生活的宏觀世界,支配運動的規律是牛頓力學;而在微觀世界里面,則是量子力學。現在為什么有人說21世紀會變成量子的世界?原因是量子力學的一系列規律或者量子力學規律的適用性,它的范圍逐漸大起來。”吳培亨在演講中指出,量子力學里面有幾條很著名的定理:一是光的粒子性和波動性;二是量子態可以同時占據;三是所謂吃不準關系,對一個粒子來說,要同時把它所在的位置測準,要把它的速度測準,不可能。他認為,現今對于量子計算機來說,最重要的就是量子態可以同時占據的事情。這就相當于薛定諤貓,光子兩個狀態可以同時去,與宏觀系統概念完全不一樣,量子計算機最基本的理論依據就在于此。理論依據是什么?我們要去做,找那個物理系統,它要有兩個量子態,這兩個量子態要能夠同時占據,這就是現在量子計算機或者量子計算所研究的主要內容。

從計算機的角度來說,這意味著什么?意味著用量子比特的時候,是一個并行的計算,對經典比特來說,因為任何時刻只能占據一個狀態,你只能對這個狀態起作用。而對量子比特來說,相當于八個系統同時在做用量子比特和經典比特比,量子的所謂并行性是量子計算最精華的所在。”吳培亨分析稱,有許多計算的問題,不是不會做而是沒有時間去做。如果說用了量子比特以后,做任何一種計算,相當于并行的計算,原來要一個一個做的計算可以一起做,計算就快了很多。他還形象地舉例稱,如果一個數字是129位,按照這個來分解因式,大概要8個月。如果一個數字是250位,分解因式要到100萬年。如果這個數字是1000位,分解它的時候是10的25次方年。今天要去破解銀行的系統,8個月也許還有可能,如果數字大到100萬年才分解,幾乎是不可能完成的任務。而這些東西,用量子算法,幾分鐘就解決了。量子計算機的未來

量子計算機和經典計算機最大的區別就是量子比特用什么樣的系統實現。這個物理系統要有兩個量子態。這兩個量子態能夠被同時占據,這對計算機來說,就相當于用量子比特有量子并行算法的可能性。

目前量子計算是初露端倪但前程似錦。至于最后能不能做到像今天這些經典計算機一樣,誰也說不準,這就是科學。

個人簡歷

吳培亨,男,1939年生,教授博士生導師1961年畢業于南京大學物理系。2005年當選為中科院院士

1979年8月至1980年10月在劍橋大學Cavendish實驗室作高級訪問學者

1980年10月至1981年12月在英國國家物理實驗室作訪問研究員

1988年5月至1988年6月在Denmark大學作訪問教授

1989年12月至1990年6月在德國ForschungszentrumJuelich作訪問科學家

1993年10月至1994年4月在日本東京大學作訪問教授

1995年5月至1995年6月在TechnicalUniversityofDenmark作訪問教授

1996年3月至1996年9月,在日本Tohoku大學作訪問教授

中國超導科技專家委員會委員

江蘇省電子科技協會副主席

中國電子科技協會會員

IEE會員,IEEE高級會員

獲獎情況

⒈吳培亨,楊森祖,程其恒,“液氮溫區超導電子器件的應用基礎研究”獲國家教委科技進步獎一等

2.吳培亨,楊森祖,程其恒,鮑家善,“超導隧道效應的高頻應用”獲江蘇省科技進步獎三等獎

⒊吳培亨,楊森祖,程其恒,鮑家善,“毫米波、亞毫米波段超導器件的開發和研究”獲國家教委科技進步獎二等獎

⒋微波超導科研組,“三公分波段微波超導接收機”獲全國科學大會獎

⒌吳培亨,程其恒,楊森祖,“氧化物超導體在液氮溫區的約瑟夫遜效應的研究”獲國家自然科學三等獎

人物語錄

“我想利用這個機會,和大家分享一點關于量子計算方面最基本的概念。大家都知道現在的計算機非常普遍,從大型計算機到臺式計算機到筆記本電腦,這些都已經很清楚。為了區別起見,我把我們現在常用的計算機叫做經典(或傳統)計算機。今天我要說的完全是另外一類計算機,它是按照量子力學的原理所構建的完全新型的一種計算機。”吳培亨表示,有關量子計算機是最近十幾年以來,科技界很熱心做的事情。起初只是討論量子力學的基本原理能不能用到計算機上去,但直到現在,還沒有做出真正像經典計算機那樣可以用的計算機。

“所以在學術界里,大多數人是將其稱為量子計算,而不稱為量子計算機。”吳培亨認為,隨著科技的進步和時代的發展,有可能通過這個概念做出很好的、全新的計算機。

“為了要說明白這個概念,我從經典計算機開始說起。”吳培亨稱,世界上第二臺計算機大概是在上世紀40年代做出來的,那時候還沒有晶體管,更沒有集成電路,開始的時候都是用電子管做的。第二臺計算機用了1800個電子管,重量30噸,里面所用到的電線大概是800公里,此后做了許許多多的改進,并涌現出半導體、集成電路等。“在將近60多年計算機的發展中,盡管經歷了許許多多重大的變革,但是有兩件事情沒有變:在經典計算機里面,數的表示都用二進制,而我們通常是十進制;另外,要構建一個物理系統作為信息的載體,0和1無疑是最簡單的方法。”吳培亨介紹,從學術上來說經典計算機一定要構建一個物理系統,作為信息的載體,這個物理系統有兩個態,分別叫0態和1態,任何一個時刻,要么占據0態,要么占據1態,沒有一個系統同時占據0態和1態。總之,經典計算機里面最基本的兩個東西:一是用二進制;二是二進制的信息載體是一個經典的比特,經典的比特在任何特定的時刻只能夠要么是0態,要么是1態。

著作論文

著作

⒈鮑家善,吳培亨編譯,《參量放大器(Ⅱ)》,科學出版社,北京,1962

⒉吳培亨等譯,《微波測量方法》,上海科技出版社,上海,1964

⒊《微波電路》,科學出版社,1980

論文

⒈Microwave Superconducting Receivers,PhysicsVol.7No.31978

2.Broadband Video Detectors at 8mm Wave Band (invited talk), Proc.of the 1st National Conference on Superconductive Tunnel ling,Nanjing1978

⒊A Phase-Plane Solution of the Circuits ContainingJosephson Junction PhysicsVol.8No.31979

⒋J.R.Wald P.H.WuAn Alternative Analysis of the Nonlinear Equations of the current-DrivenJosephson Junction Journal of low Temperature1982

⒌P.H.Wu N.R.Cross,T.G.BlaneyFabrication of Stable Josephson Point Contacts for Submillimetre-Wavelength MixersJ.phys.E.Vol.161983

⒍Encapsulated Point Contacts for Sub-mm wavelength mixers, Proc.of Joint Si no-Japanese Seminar on the Physics and Applications of Josephson Effect Beijing,October1983

⒎A General Survey of the Research on Super conductive tunnel ling in China IBID1983

8.Applications of the Josephson Effect to Microwave Measurements (invited talk),The work shop on Measurements in Southwest China Ku1984

⒐Experimental Studies on Josephson Oscillator-mixer Low Temperature and Super conductivity1985

⒑H.Ou yangP.H.WuChao sin Josephson Junction and the Effects of costermProc.of the 4th National Conference on Super conductive Tunnel ling,1985

⒒Conversion Efficiency and Nose of In coherent Detection in Josephson Oscillator-mixer,Proc.of  the 4th National Conference on Superconductive Tunneling,1985

⒓Qiang HuP.H.WuAn adjustable Pulse Generator Using Josephson Tunnel Junction, Proc.of the 4th National Conference on Super conductive Tunneling,1985

⒔Calculating the Parameter so fan SIS Junction from the Experimental  Curve,Proc.of the 4th National Conference on Super conductive Tunneling,1985

⒕吳培亨,楊森祖,程其恒,吉爭嗚,采用單極子微帶天線耦合的SIS結混頻器變頻效率的研究,低溫物理學報,Vol.8,No.4,1986 15.吳培亨,小面積Pb合金隧道結中的準粒子射頻感應臺階,低溫物理學報,Vol.8,No.3,1986

⒗吳培亨,盛玉寶,籍榮甫,用于亞毫米波的點接觸超導二極管的研制,低溫物理學報Vol.8No.41986

Q.HuangP.H.WuStudy on Hysteresis in Josephson Tunnel Junction:Calculating the Minimum Current on Phase PlaneJpn.J.Appl. Phys.Vol.261987

⒙吳培亨,程其恒,楊森祖,范敏華,馮一軍,陳健,李元等,Josephson Frequency Mixing Between Two K`-`a`!`Band Signal sin Ceramic Bridgeat liquid Nitrogen Temperatures,Kexue Tong baoVol.32No.241987

P.H.WuSuper conducting Electronics in China International Super conductivity Electronics Confer1987

P.H.WuQ.H. ChengS.Z.YangetalThe Josephson Effectina Ceramic Bridgeat Liquid Nitrogen Temperature JapaneseJournal of Applied1987

21.M.H.FanP.H.WuThe Occurrence of Chao sin RF-Driven Josephson Junction and the Tail son its Curves,International Super conductivity Electronics Confer1987

22.P.H.WuM.QianSimple Method to Determine Microwave Phase Electronics LettersVol.23No.201987

23.The Josephs on effect in Liquid Nitrogen Usingall Ceramic Junction,J.Nanjing Univ(Natural Sciences),1987

24.M.H.FanP.H.WuThe Bifurcation-Chaotic Trees Separated By Periodic Solutions in an RF-Driven Josephson Junction,International Super conductivity Electronics Confer1987

25.吳培亨,程其恒,楊森祖,范敏華,馮一軍,陳健,李元,陸懷先,液氮溫度下陶瓷橋中兩個Ka波段信號的約瑟夫遜頻率混頻,科學通報,Vol.16,1987

26.Y.M.Zhang and P.H.Wu,An umericalcal culation of the heigh to 

The first zero-field step in long over lap Josephson tunnel Junction,International Super conductivity Electronics Confer1987

27.吳培亨,超導結聲子檢測器中信號幅度的理論估算,低溫與超導,Vol.16No.31988

28.吳培亨,SIS結參量放大器的研究,低溫物理學報,Vol.10No.31988

29.李元,楊森祖,吳培亨,Nb/Al-AlOx/Nb隧道結的制備,物理學報,Vol.37No.51988 30S.Z.YangZ.M.JiZ.J.SunD.JinP.H.WuetalResearch on YB CO Super conducting thin filmsat Liquid Nitrogen temperatures Act a Physic a Temperature Humilis1988

31.吳培亨,約瑟夫遜結中分岔和混沌的研究,低溫與超導,Vol.16No.41988

32.N.X.ShenP.H.WuS.Z.YangQ.H.ChengY.B.ShengHeight so Microwave Induced Steps,Temperature Dependent Super current and Other Experimental Observations in YB CO Weak Link IEEE Trans.Vol.MAG-25No.21989

33.M.H.FanP.H.WuInterpretation of Some Experimental Observations on YB CO weak Link in term so Series Grain Boundary JunctionsJ.Appl.Phys,Vol.661989

34.Jiming SP.H.WuetalJosephson Harmonic Mixing and Internal Oscillation-mixing in YB CO super conducting Weak Link at Liquid Nitrogen Temperature IEEE Trans.Vol.MAG-25No.21989

35.Y.M.ZhanP.H.WuNumerical Calculation of the height of velocity-matching step off ux-flow type Josephson OscillatorJ.Appl.Phys,Vol.681990

36.Senzu YaP.H.WuetalPreparation of YB CO thin films by magnetr on Sputting with in Sit u Plasma OxidationJ.Appl.Phys,Vol.681990

37.Qian MinK.Z.Xue,P.H.WuApplication of Kramers-Kronig TransformtoDeterminationofCavityImpedanceforBothSmallandLargeCouplingsElectronicsLetters,Vol.261990

38.M.H.Fan P.H. Wu Measurements on transition from quasiperiodi city to Chao sin a Josephson Junction analogAct a Physic a Temperature Humilis1990

39.P.H.WuYun huC.Hei denUp to the 51 stharm onicmixingin YB CO weak link Operated in Liquid NitrogenAppl.Phys.LettVol.571990

40.Some Possible Applications of high Tc Superconductors in Analog Electronics(invited talk),Proc.of the international Work shop on High Temperature Superconductivity1990

41.Sun Zhi jJi Zheng ming,Yang Sin zu,and Wu Pei hengFabrication of Y-Ba-Cu-O/barrier/Y-Ba-Cu-Otri layer structure ChineseJ.of Low TemperaturePhysics(formerly Act a Physic a Temperature Humilis Sinica),Vol.13P.3341991

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44.J.H.ZhouH.Zhang,S.Z.Yang,and P.H.WuReactiveionetchingofniobiumfilmsJ.NanjingUniv.(Naturalsciences),Vol.28P.2391992

45.FengYijChengQihengWuPeihengandLiuHanmoObservationofthespatialdistributionofthecriticalcurrentdensityinTiBaCaCuOthinfilmChineseJ.ofLowTemperaturePhysics(formerlyActaPhysicaTeperaturaeHumilisSinica),Vol.14P.3561992

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51.JinBiaoChengQiheng,XuWeiwei,WuPeiheng,YanShaolinandHarmonicmixerat3mmwavebandatliquidnitrogentemperatures,ChineseJ.ofLowTemperaturePhysics(formerlyActaPhysicaTemperatureaeHumilisSinica),Vol.14P.3461992


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