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光經(jīng)濟(jì)：智能時代的“心臟”

寧若楊

2025年04月21日 01:35

羅先剛

人類對光的探索貫穿了整個文明史。從燧人氏鉆木取火，到墨子提出“光沿直線傳播”的樸素理論，再到牛頓用棱鏡分解白光揭示光譜的奧秘，光始終是科學(xué)與技術(shù)演進(jìn)的見證者。進(jìn)入21世紀(jì)，這場跨越千年的對話迎來了全新維度——光經(jīng)濟(jì)。這一概念不再局限于光學(xué)儀器的制造，而是以光子為核心，深度融合能源、信息、生物、量子等前沿領(lǐng)域，成為重塑全球產(chǎn)業(yè)格局的關(guān)鍵力量。

光經(jīng)濟(jì)的崛起，本質(zhì)上是三次光學(xué)革命的積累與質(zhì)變。17世紀(jì)到19世紀(jì)期間，折射定律與衍射理論的建立，讓人類首次系統(tǒng)掌控光的傳播規(guī)律；20世紀(jì)中葉，激光與光纖的發(fā)明，催生了信息社會的底層架構(gòu)；而當(dāng)下，光子與納米技術(shù)、量子計算、人工智能的交叉融合，正推動光經(jīng)濟(jì)進(jìn)入“3.0時代”。在這一階段，光子既是能量的載體，也是信息的媒介，更是生命的探針。從激光核聚變點(diǎn)燃“人造太陽”，到光子芯片突破算力極限，從超分辨顯微解析分子運(yùn)動，到光鐘重新定義時空基準(zhǔn)，光經(jīng)濟(jì)正在突破物理與想象的邊界。

未來10年，光經(jīng)濟(jì)將進(jìn)入爆發(fā)式增長期。對中國而言，這場革命既是歷史性機(jī)遇，也是嚴(yán)峻考驗(yàn)。長江經(jīng)濟(jì)帶和東部沿海的光技術(shù)產(chǎn)業(yè)集群、全球領(lǐng)先的光伏產(chǎn)能，以及“太極計劃”空間引力波探測等重大工程，彰顯了我國的戰(zhàn)略雄心。然而，光學(xué)和光子產(chǎn)業(yè)中的“卡脖子”問題，仍如達(dá)摩克利斯之劍高懸。中國能否在這場光子革命中占據(jù)制高點(diǎn)？如何在技術(shù)封鎖與全球競合中破局？

從追光到擎光 技術(shù)演進(jìn)中的產(chǎn)業(yè)蝶變

人類與光的互動史，是一部技術(shù)革命的編年史。17世紀(jì)，斯涅耳提出光的折射定律，伽利略改良望遠(yuǎn)鏡觀測木星衛(wèi)星，牛頓通過棱鏡分解白光，這些探索催生了經(jīng)典光學(xué)理論體系。折反射定律與衍射理論的建立，不僅讓人類首次系統(tǒng)理解光的傳輸行為，也進(jìn)一步推動了玻璃研磨、透鏡制造等技術(shù)的突破。19世紀(jì)以來，德國蔡司公司憑借阿貝正弦條件理論優(yōu)化顯微鏡設(shè)計，使成像分辨率大幅提升；德國肖特玻璃廠研發(fā)出了硼硅酸鹽玻璃，具有良好化學(xué)穩(wěn)定性、低熱膨脹系數(shù)和高折射率，為光學(xué)儀器在不同環(huán)境條件下穩(wěn)定工作提供了關(guān)鍵材料；此外，邁克爾遜干涉儀和法布里-珀羅干涉儀的發(fā)明，使得光學(xué)成為精密測量的重要工具，廣泛應(yīng)用于光譜分析和長度測量。這些理論和技術(shù)突破奠定了現(xiàn)代光學(xué)工業(yè)的基礎(chǔ)。

20世紀(jì)中葉，激光器的發(fā)明徹底改變了光技術(shù)的應(yīng)用范式。1960年，美國休斯實(shí)驗(yàn)室的梅曼研制出首臺紅寶石激光器，這種高單色性、高相干性、高準(zhǔn)直性的光束迅速被應(yīng)用于通信、醫(yī)療與工業(yè)加工。光纖通信取代銅纜，讓信息傳輸進(jìn)入光速時代；CCD/CMOS傳感器則成為數(shù)字影像的基石。荷蘭ASML公司憑借高端光刻機(jī)掌控芯片制造命脈，一臺極紫外（EUV）光刻機(jī)包含超過10萬個零件，涉及光學(xué)、機(jī)械、真空、控制等十多個學(xué)科，其復(fù)雜度堪比核反應(yīng)堆，而我國在這一領(lǐng)域仍處于追趕階段。

進(jìn)入21世紀(jì)，光技術(shù)開始與量子、納米、生物科技深度交織，催生出更具顛覆性的“3.0時代”。光子晶體通過周期性結(jié)構(gòu)操控光子運(yùn)動軌跡，可使光速降低至百分之一以下，為光存儲與量子計算提供可能；超材料通過亞波長結(jié)構(gòu)設(shè)計實(shí)現(xiàn)負(fù)折射率，讓“完美成像”和“光學(xué)隱身”從科幻走向現(xiàn)實(shí)；激光雷達(dá)和計算機(jī)視覺使得無人駕駛成為可能，同時推動無人機(jī)技術(shù)和低空經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展；光鑷技術(shù)利用激光勢阱操控DNA、病毒等微觀粒子，為單分子生物力學(xué)研究開辟新途徑；2017年，LIGO探測器通過4公里臂長的激光干涉儀，捕捉到13億光年外黑洞合并產(chǎn)生的引力波，驗(yàn)證了愛因斯坦的百年預(yù)言。這些突破不僅拓展了光的應(yīng)用邊界，更讓光子成為能源、信息、生命的通用“貨幣”。光經(jīng)濟(jì)至此完成了從輔助工具到獨(dú)立經(jīng)濟(jì)形態(tài)的蝶變——它不再依附于其他產(chǎn)業(yè)，而是通過光子技術(shù)的自主創(chuàng)新直接創(chuàng)造價值。例如，美國Lightmatter公司研發(fā)的光子AI芯片Envise，通過干涉與衍射實(shí)現(xiàn)并行計算，速度可達(dá)到Nvidia A100 AI芯片的五倍，且僅消耗六分之一的功耗。

縱觀光經(jīng)濟(jì)的演變歷史，其原動力從20世紀(jì)以前的“科學(xué)-技術(shù)-興趣”協(xié)同創(chuàng)新，經(jīng)過兩次世界大戰(zhàn)以及戰(zhàn)后國際競爭，發(fā)展到當(dāng)前的“科學(xué)-技術(shù)-需求”驅(qū)動。展望未來，光經(jīng)濟(jì)的發(fā)展必將更加依賴人們對未來世界的期盼，不斷開辟新的科技和產(chǎn)業(yè)賽道。

光的魅力?光子如何重塑世界

在能源領(lǐng)域，光子正在改寫人類獲取與利用能量的規(guī)則。2022年12月，美國勞倫斯利弗莫爾國家實(shí)驗(yàn)室的“國家點(diǎn)火裝置”（NIF）通過192束高能激光轟擊氘氚靶丸，首次實(shí)現(xiàn)核聚變凈能量增益（Q值達(dá)1.5）。這一突破標(biāo)志著“人造太陽”從科幻邁向現(xiàn)實(shí)，為商業(yè)核聚變發(fā)電鋪平道路。另一項(xiàng)顛覆性技術(shù)是輻射制冷，利用多級孔、多層膜或者超表面結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)太陽光高反射，同時將地表熱量以8～13微米紅外波段輻射至太空。夏季可使建筑表面溫度降低15℃。若全球10%的建筑采用該技術(shù)，每年可減少二氧化碳排放12億噸以上。

信息傳輸是光經(jīng)濟(jì)的傳統(tǒng)優(yōu)勢領(lǐng)域，但其邊界仍在不斷擴(kuò)展。在太空，馬斯克的星鏈計劃通過1.2萬顆衛(wèi)星構(gòu)建激光通信網(wǎng)絡(luò)，V3版本單鏈路容量達(dá)4Tbps，有望支持萬人同時進(jìn)行8K視頻通話。在地面，我國FAST射電望遠(yuǎn)鏡利用4450塊主動反射面板實(shí)時調(diào)整形狀，觀測靈敏度比德國波恩100米望遠(yuǎn)鏡提高約10倍,比美國阿雷西博300米射電望遠(yuǎn)鏡提高約2.25倍。FAST迄今已發(fā)現(xiàn)超過1000顆脈沖星，其中包括大量毫秒脈沖星和脈沖星雙星，對于理解脈沖星的形成和演化具有重要意義。而在微觀尺度，硅光技術(shù)將光子與電子集成于同一芯片，使數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸速率提升百倍，能耗降低90%。英特爾推出的1.6Tbps硅光引擎，可在1秒內(nèi)傳輸2部4K電影，為ChatGPT等大模型訓(xùn)練提供底層支撐。

光子的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，讓人類得以窺見生命的本質(zhì)。光遺傳學(xué)通過向神經(jīng)元植入光敏蛋白，用藍(lán)光精準(zhǔn)控制腦區(qū)活動，可以改善帕金森病小鼠的運(yùn)動障礙。超分辨熒光顯微技術(shù)突破衍射極限，分辨率可達(dá)納米量級，使科學(xué)家首次觀察到HIV病毒表面gp120蛋白與CD4受體結(jié)合的動態(tài)過程。在臨床診斷中，光學(xué)相干斷層掃描（OCT）可生成視網(wǎng)膜的微米級三維影像，精度媲美組織切片，全球每年有超過3000萬例眼科疾病依賴該技術(shù)確診。此外，我國患有心血管病的人數(shù)約3.3億，造成的死亡率占居民疾病死亡的40%以上，OCT、熒光成像、光聲成像等技術(shù)有望在心血管疾病的檢查和治療中發(fā)揮不可或缺的作用。

光子還可帶來精密制造領(lǐng)域的變革。通過激發(fā)光子和電子的強(qiáng)耦合體，可將光子在材料中的等效波長縮短十倍以上。超隱形切割技術(shù)利用激光-物質(zhì)相互作用過程中的非線性反饋，可在透明材料中實(shí)現(xiàn)橫向精度10納米、深寬比超15000的納米深加工。激光增材制造技術(shù)可將傳統(tǒng)焊接工藝制造的數(shù)十個部件整合為單一整體結(jié)構(gòu)，耐溫性能達(dá)1300℃（超過航空發(fā)動機(jī)工作極限），在極端振動條件下的疲勞壽命比傳統(tǒng)部件延長300%。

量子科技與光子更是天生盟友。例如，激光冷卻技術(shù)將銣原子溫度降至1微開爾文（接近絕對零度），使原子鐘的精度提升至百億年誤差不超過1秒，為北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)提供時間基準(zhǔn)。2023年，美國哈佛大學(xué)團(tuán)隊在基于光鑷陣列的中性原子陣列量子計算平臺上，用量子糾錯碼編碼了48個邏輯比特，邁出了容錯通用量子計算的關(guān)鍵一步。

人工智能的算力需求催生了光子計算革命。傳統(tǒng)電子芯片受限于發(fā)熱與帶寬，而光子芯片通過波導(dǎo)與諧振腔實(shí)現(xiàn)光信號處理，能效比提升千倍。美國Lightmatter公司研發(fā)的Envise光子處理器，在1平方厘米芯片上集成2000萬個光學(xué)元件，專為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計，其矩陣乘法速度較英偉達(dá)A100 GPU提升1.5到10倍。未來，光子-電子異構(gòu)計算架構(gòu)或?qū)⒊蔀橥ㄓ萌斯ぶ悄艿幕拘螒B(tài)——光子負(fù)責(zé)大規(guī)模并行計算，電子專精邏輯控制，兩者協(xié)同突破“馮·諾依曼瓶頸”。

逐光而行?突破瓶頸與制勝未來

中國的光經(jīng)濟(jì)版圖，沿著長江經(jīng)濟(jì)帶和東部沿海展開了一幅特色鮮明的產(chǎn)業(yè)畫卷。

上游的成渝地區(qū)聚焦光能源、光制造、顯示與傳感技術(shù)，成渝地區(qū)新型顯示產(chǎn)業(yè)占全國比重超30%，已建成全球最大的OLED生產(chǎn)基地；成都光明光電的光學(xué)玻璃產(chǎn)銷量達(dá)全球的40%；瑞聲科技在重慶建設(shè)全球最大的WLG鏡片制造工廠?。中游的武漢“光谷”聚集了烽火通信、華工激光等企業(yè)，激光切割設(shè)備出口至100多個國家。下游的長三角則瞄準(zhǔn)光子芯片與量子技術(shù)，合肥本源量子推出的24比特超導(dǎo)量子計算機(jī)“悟源”，在化學(xué)模擬與密碼破解領(lǐng)域展現(xiàn)潛力。此外，長春、北京、上海、深圳等地分別在光學(xué)衛(wèi)星、半導(dǎo)體光電子、紅外光學(xué)、光通信器件等領(lǐng)域形成了較為完整的產(chǎn)業(yè)鏈，發(fā)展勢能強(qiáng)大。

但背后也有隱憂。在“一大一小”兩個極端領(lǐng)域——空間引力波探測需實(shí)現(xiàn)300萬公里距離以上皮米級位移測量，極紫外光刻卻要求在米級大小的鏡面上實(shí)現(xiàn)20皮米級表面精度（原子級平整度），我國仍處于追趕階段。例如，“太極計劃”的激光干涉測距精度需達(dá)到1皮米，相當(dāng)于在地球與月球之間測量出一根頭發(fā)絲的直徑變化，其核心弱光鎖相技術(shù)已通過“天琴一號”衛(wèi)星驗(yàn)證，但工程化應(yīng)用仍需十年左右。此外，高端光學(xué)玻璃市場被美國康寧、德國肖特、日本HOYA等壟斷，我國許多特殊玻璃仍需進(jìn)口。

破解困局需多維度發(fā)力。國家層面，可將光經(jīng)濟(jì)納入戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)目錄，設(shè)立千億級光子產(chǎn)業(yè)基金，專項(xiàng)支持激光、精密光學(xué)和光電裝備、光子芯片等“硬科技”。在成都、武漢、合肥等地建設(shè)光經(jīng)濟(jì)創(chuàng)新特區(qū)，試點(diǎn)研發(fā)費(fèi)用加計扣除、數(shù)據(jù)跨境流動等政策。技術(shù)上，可借鑒國外一些先進(jìn)模式，整合東部沿海-長江經(jīng)濟(jì)帶-西部戰(zhàn)略腹地的創(chuàng)新資源要素，打造自主可控的技術(shù)生態(tài)。國際合作亦不可或缺，可通過共建光技術(shù)交易平臺、推動光子新產(chǎn)業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)互認(rèn)，形成光經(jīng)濟(jì)“戰(zhàn)略腹地”“前沿高地”“技術(shù)高原”等形態(tài)的有機(jī)結(jié)合。

光經(jīng)濟(jì)正在迎來爆發(fā)式增長。到2027年，光通信網(wǎng)絡(luò)、新型顯示、激光加工和增材制造等傳統(tǒng)領(lǐng)域有望形成千億級市場；2030年前后，光子芯片、光量子傳感和光量子通信網(wǎng)絡(luò)等新技術(shù)將完成工程化驗(yàn)證，成熟度不斷提升；至2035年，全產(chǎn)業(yè)鏈規(guī)?；蛲黄迫f億元。中國能否在關(guān)鍵領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)反超并持續(xù)領(lǐng)先，將在很大程度上決定未來世界產(chǎn)業(yè)格局。這場競賽沒有終局，唯有持續(xù)創(chuàng)新者才能永立潮頭。如果把光學(xué)比作工業(yè)的“眼睛”，那么光經(jīng)濟(jì)將是智能時代的“心臟”，這顆“心臟”的跳動節(jié)奏，可能就影響未來產(chǎn)業(yè)的脈動，而維護(hù)“心臟”的健康源于光創(chuàng)新鏈和產(chǎn)業(yè)鏈的無縫銜接。

（作者：羅先剛，系中國工程院院士、中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所所長；本報記者崔興毅采訪整理）