龚新高院士：计算物质科学促进新材料的研发和突破

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11月3日至5日，2022云栖大会在杭州举行，中国科学院院士、复旦大学教授、广东以色列理工学院校长龚新高在会上作了主题为“计算物质科学促进新材料的研发和突破”的演讲。
& n3 ?' _" A/ O6 E' e0 K; [  O: |) \他在演讲中提到，计算已经成为理解实验现象不可缺少的工具，计算技术的发展给物质科学提供了很好的发展机会。
同时，物质科学的发展为半导体技术提供了物理基础，在电子芯片技术进入纳米量级后更是需要物质科学的计算模拟研究。计算机因物理而诞生，物理因计算机而进步。
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0 w& g+ Z1 Y8 ~8 O2 N5 w中国科学院院士、复旦大学教授、广东以色列理工学院校长龚新高。图/复旦大学官网
以下为龚新高院士11月4日演讲部分内容（新京报贝壳财经记者整理）：
今年云栖大会的主题是计算、进化、未来，我想跟大家交流物理跟计算的关系。大家都说上个世纪是物理学的世纪，在上个世纪中有很多物理学的伟大成就，其中量子力学的建立就是这样的成果。量子力学给出了解微观世界基本规律的理论框架，推动了上个世纪社会的伟大进步。在量子学领域已有十几个诺贝尔奖获得者，今年也是。
在量子力学刚刚建立不久的上世纪20年代末期，量子力学的重要参与者狄拉克先生在1929年有一个评论，说“描写大部分物理学和整个化学的基本物理定律所必需的数学理论已经完全清楚了，而困难之处仅在于方程过于复杂而无法求解。”从这以后三四十年，很多伟大的物理学家前赴后继，都想让问题得到解决，直到上世纪60年代中期才有所突破。
但是在这期间有个非常重要的成果，就是能带理论的建立。能带理论的建立让人类真正从根本上理解了什么叫半导体，为后来半导体技术的飞速发展建立了坚实的物理基础，今天我们才有了这么好的计算条件。
人类第一次用计算机来解决物理问题是在1950年。伟大的物理学家费米先生参观美国的所谓巨型计算机的时候，看到这东西这么能干，就提出能不能做一些物理的模拟？有两个小伙子就把这事情就做成了，该工作实际上为后面几十年物理学的发展起到了重要的影响和推动作用。
从上世纪50年代初期开始，科学家就开始大量使用计算机来研究物质科学。通过几十年的发展，逐渐演变成为了物理学中一个标准的研究范式。现在，从事计算研究的物理人肯定比从事理论研究的人多，甚至可以跟从事实验研究的人数相比，物理学是一门实验科学，目前吸引了这么多计算人才从事物理研究，说明了计算的重要性。
! h& z. _# l$ _0 W( a; L; h1 b2 {: R为什么计算这么重要？它不仅是理解实验现象不可缺少的工具，同时还具有解决以下三方面问题的优势：第一点，实验上很难直接测量的物理，比如说拓扑量；第二点，实验的条件很难达到，比如极端条件的物理行为；第三点，系统非常复杂，影响结果的因素可以很多，实验上难以分辨出来。此时计算会解决这些方面的问题。
8 h% ]$ V7 q. J1 u9 R我们今天计算科学发展这么快，是因为我们计算能力的提升。过去60年，我们的计算速度大概提升了万亿次或者是百万亿次倍。过去的30年，中国科学家能感受到计算机的速度快了。但是中国的科学家使用的大多数核心软件都是国外的。在软件发展较快的那段时间，该领域科学水平相对还比较薄弱。我在这里也呼吁企业界、学界的各位朋友，希望共同努力发展计算物质科学领域的核心软件。
在目前情况之下，计算物质科学发展不错，但也面临着很多挑战。
2 Z+ e, {  @$ Q/ c# `- d机器学习在商业层面、技术层面有很大的潜能和应用，在物质科学的研究上同样有无限的可能，实际上。在电子层次、原子层次、结构层次，以及材料上等多个方面都有很好的应用结果。我举一个具体例子，物质世界都是原子排列的，如果要问原子是怎么排列最好？这是一个数学上非常复杂的问题。人们过去做了很多努力。到现在为止，只能解决三四十个原子的排列的问题。而使用AI的办法可以在效率上提高三个量级。我相信，随着以后更多的发展，这方面可以做得更好。
另外，在材料方面，怎样从计算出发把真正的材料设计出来？现在科学家已经做出了很好的例子，人工智能技术更是加速了这方面的发展。
9 L% l" p) B% B计算物质科学能不能反过来为将来的计算、硬件提供服务？我觉得这是非常可能的。现在的电子芯片技术已经发展到了纳米量级或更小，量子效应是不可忽略的、非常重要的。这个时候怎么优化器件性能，科学家已经开始了尝试，即所谓的计算电子学，我认为能为下一代器件提供很好的支撑服务。
回到最开始的原点，物质科学的发展为半导体提供了物理基础，而计算机的发展也给物质科学提供了很好的机会。计算机因物理而诞生，物理因计算机而进步。谢谢大家！
# A3 Q) H. Y: C6 b: I" w新京报贝壳财经记者 罗亦丹 编辑 徐超 校对 刘军