光经济：智能时代的“心脏”
宁若杨
2025年04月21日 01:35
罗先刚
《光明日报》（ 2025年03月20日 16版）人类对光的探索贯穿了整个文明史。从燧人氏钻木取火，到墨子提出“光沿直线传播”的朴素理论，再到牛顿用棱镜分解白光揭示光谱的奥秘，光始终是科学与技术演进的见证者。进入21世纪，这场跨越千年的对话迎来了全新维度——光经济。这一概念不再局限于光学仪器的制造，而是以光子为核心，深度融合能源、信息、生物、量子等前沿领域，成为重塑全球产业格局的关键力量。
光经济的崛起，本质上是三次光学革命的积累与质变。17世纪到19世纪期间，折射定律与衍射理论的建立，让人类首次系统掌控光的传播规律；20世纪中叶，激光与光纤的发明，催生了信息社会的底层架构；而当下，光子与纳米技术、量子计算、人工智能的交叉融合，正推动光经济进入“3.0时代”。在这一阶段，光子既是能量的载体，也是信息的媒介，更是生命的探针。从激光核聚变点燃“人造太阳”，到光子芯片突破算力极限，从超分辨显微解析分子运动，到光钟重新定义时空基准，光经济正在突破物理与想象的边界。
未来10年，光经济将进入爆发式增长期。对中国而言，这场革命既是历史性机遇，也是严峻考验。长江经济带和东部沿海的光技术产业集群、全球领先的光伏产能，以及“太极计划”空间引力波探测等重大工程，彰显了我国的战略雄心。然而，光学和光子产业中的“卡脖子”问题，仍如达摩克利斯之剑高悬。中国能否在这场光子革命中占据制高点？如何在技术封锁与全球竞合中破局？
从追光到擎光 技术演进中的产业蝶变
人类与光的互动史，是一部技术革命的编年史。17世纪，斯涅耳提出光的折射定律，伽利略改良望远镜观测木星卫星，牛顿通过棱镜分解白光，这些探索催生了经典光学理论体系。折反射定律与衍射理论的建立，不仅让人类首次系统理解光的传输行为，也进一步推动了玻璃研磨、透镜制造等技术的突破。19世纪以来，德国蔡司公司凭借阿贝正弦条件理论优化显微镜设计，使成像分辨率大幅提升；德国肖特玻璃厂研发出了硼硅酸盐玻璃，具有良好化学稳定性、低热膨胀系数和高折射率，为光学仪器在不同环境条件下稳定工作提供了关键材料；此外，迈克尔逊干涉仪和法布里-珀罗干涉仪的发明，使得光学成为精密测量的重要工具，广泛应用于光谱分析和长度测量。这些理论和技术突破奠定了现代光学工业的基础。
20世纪中叶，激光器的发明彻底改变了光技术的应用范式。1960年，美国休斯实验室的梅曼研制出首台红宝石激光器，这种高单色性、高相干性、高准直性的光束迅速被应用于通信、医疗与工业加工。光纤通信取代铜缆，让信息传输进入光速时代；CCD/CMOS传感器则成为数字影像的基石。荷兰ASML公司凭借高端光刻机掌控芯片制造命脉，一台极紫外（EUV）光刻机包含超过10万个零件，涉及光学、机械、真空、控制等十多个学科，其复杂度堪比核反应堆，而我国在这一领域仍处于追赶阶段。
进入21世纪，光技术开始与量子、纳米、生物科技深度交织，催生出更具颠覆性的“3.0时代”。光子晶体通过周期性结构操控光子运动轨迹，可使光速降低至百分之一以下，为光存储与量子计算提供可能；超材料通过亚波长结构设计实现负折射率，让“完美成像”和“光学隐身”从科幻走向现实；激光雷达和计算机视觉使得无人驾驶成为可能，同时推动无人机技术和低空经济的飞速发展；光镊技术利用激光势阱操控DNA、病毒等微观粒子，为单分子生物力学研究开辟新途径；2017年，LIGO探测器通过4公里臂长的激光干涉仪，捕捉到13亿光年外黑洞合并产生的引力波，验证了爱因斯坦的百年预言。这些突破不仅拓展了光的应用边界，更让光子成为能源、信息、生命的通用“货币”。光经济至此完成了从辅助工具到独立经济形态的蝶变——它不再依附于其他产业，而是通过光子技术的自主创新直接创造价值。例如，美国Lightmatter公司研发的光子AI芯片Envise，通过干涉与衍射实现并行计算，速度可达到Nvidia A100 AI芯片的五倍，且仅消耗六分之一的功耗。
纵观光经济的演变历史，其原动力从20世纪以前的“科学-技术-兴趣”协同创新，经过两次世界大战以及战后国际竞争，发展到当前的“科学-技术-需求”驱动。展望未来，光经济的发展必将更加依赖人们对未来世界的期盼，不断开辟新的科技和产业赛道。
光的魅力 光子如何重塑世界
在能源领域，光子正在改写人类获取与利用能量的规则。2022年12月，美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的“国家点火装置”（NIF）通过192束高能激光轰击氘氚靶丸，首次实现核聚变净能量增益（Q值达1.5）。这一突破标志着“人造太阳”从科幻迈向现实，为商业核聚变发电铺平道路。另一项颠覆性技术是辐射制冷，利用多级孔、多层膜或者超表面结构，实现太阳光高反射，同时将地表热量以8～13微米红外波段辐射至太空。夏季可使建筑表面温度降低15℃。若全球10%的建筑采用该技术，每年可减少二氧化碳排放12亿吨以上。
信息传输是光经济的传统优势领域，但其边界仍在不断扩展。在太空，马斯克的星链计划通过1.2万颗卫星构建激光通信网络，V3版本单链路容量达4Tbps，有望支持万人同时进行8K视频通话。在地面，我国FAST射电望远镜利用4450块主动反射面板实时调整形状，观测灵敏度比德国波恩100米望远镜提高约10倍,比美国阿雷西博300米射电望远镜提高约2.25倍。FAST迄今已发现超过1000颗脉冲星，其中包括大量毫秒脉冲星和脉冲星双星，对于理解脉冲星的形成和演化具有重要意义。而在微观尺度，硅光技术将光子与电子集成于同一芯片，使数据中心的数据传输速率提升百倍，能耗降低90%。英特尔推出的1.6Tbps硅光引擎，可在1秒内传输2部4K电影，为ChatGPT等大模型训练提供底层支撑。
光子的生物医学应用，让人类得以窥见生命的本质。光遗传学通过向神经元植入光敏蛋白，用蓝光精准控制脑区活动，可以改善帕金森病小鼠的运动障碍。超分辨荧光显微技术突破衍射极限，分辨率可达纳米量级，使科学家首次观察到HIV病毒表面gp120蛋白与CD4受体结合的动态过程。在临床诊断中，光学相干断层扫描（OCT）可生成视网膜的微米级三维影像，精度媲美组织切片，全球每年有超过3000万例眼科疾病依赖该技术确诊。此外，我国患有心血管病的人数约3.3亿，造成的死亡率占居民疾病死亡的40%以上，OCT、荧光成像、光声成像等技术有望在心血管疾病的检查和治疗中发挥不可或缺的作用。
光子还可带来精密制造领域的变革。通过激发光子和电子的强耦合体，可将光子在材料中的等效波长缩短十倍以上。超隐形切割技术利用激光-物质相互作用过程中的非线性反馈，可在透明材料中实现横向精度10纳米、深宽比超15000的纳米深加工。激光增材制造技术可将传统焊接工艺制造的数十个部件整合为单一整体结构，耐温性能达1300℃（超过航空发动机工作极限），在极端振动条件下的疲劳寿命比传统部件延长300%。
量子科技与光子更是天生盟友。例如，激光冷却技术将铷原子温度降至1微开尔文（接近绝对零度），使原子钟的精度提升至百亿年误差不超过1秒，为北斗卫星导航系统提供时间基准。2023年，美国哈佛大学团队在基于光镊阵列的中性原子阵列量子计算平台上，用量子纠错码编码了48个逻辑比特，迈出了容错通用量子计算的关键一步。
人工智能的算力需求催生了光子计算革命。传统电子芯片受限于发热与带宽，而光子芯片通过波导与谐振腔实现光信号处理，能效比提升千倍。美国Lightmatter公司研发的Envise光子处理器，在1平方厘米芯片上集成2000万个光学元件，专为神经网络优化设计，其矩阵乘法速度较英伟达A100 GPU提升1.5到10倍。未来，光子-电子异构计算架构或将成为通用人工智能的基本形态——光子负责大规模并行计算，电子专精逻辑控制，两者协同突破“冯·诺依曼瓶颈”。
逐光而行 突破瓶颈与制胜未来
中国的光经济版图，沿着长江经济带和东部沿海展开了一幅特色鲜明的产业画卷。
上游的成渝地区聚焦光能源、光制造、显示与传感技术，成渝地区新型显示产业占全国比重超30%，已建成全球最大的OLED生产基地；成都光明光电的光学玻璃产销量达全球的40%；瑞声科技在重庆建设全球最大的WLG镜片制造工厂。中游的武汉“光谷”聚集了烽火通信、华工激光等企业，激光切割设备出口至100多个国家。下游的长三角则瞄准光子芯片与量子技术，合肥本源量子推出的24比特超导量子计算机“悟源”，在化学模拟与密码破解领域展现潜力。此外，长春、北京、上海、深圳等地分别在光学卫星、半导体光电子、红外光学、光通信器件等领域形成了较为完整的产业链，发展势能强大。
但背后也有隐忧。在“一大一小”两个极端领域——空间引力波探测需实现300万公里距离以上皮米级位移测量，极紫外光刻却要求在米级大小的镜面上实现20皮米级表面精度（原子级平整度），我国仍处于追赶阶段。例如，“太极计划”的激光干涉测距精度需达到1皮米，相当于在地球与月球之间测量出一根头发丝的直径变化，其核心弱光锁相技术已通过“天琴一号”卫星验证，但工程化应用仍需十年左右。此外，高端光学玻璃市场被美国康宁、德国肖特、日本HOYA等垄断，我国许多特殊玻璃仍需进口。
破解困局需多维度发力。国家层面，可将光经济纳入战略性新兴产业目录，设立千亿级光子产业基金，专项支持激光、精密光学和光电装备、光子芯片等“硬科技”。在成都、武汉、合肥等地建设光经济创新特区，试点研发费用加计扣除、数据跨境流动等政策。技术上，可借鉴国外一些先进模式，整合东部沿海-长江经济带-西部战略腹地的创新资源要素，打造自主可控的技术生态。国际合作亦不可或缺，可通过共建光技术交易平台、推动光子新产业的标准互认，形成光经济“战略腹地”“前沿高地”“技术高原”等形态的有机结合。
光经济正在迎来爆发式增长。到2027年，光通信网络、新型显示、激光加工和增材制造等传统领域有望形成千亿级市场；2030年前后，光子芯片、光量子传感和光量子通信网络等新技术将完成工程化验证，成熟度不断提升；至2035年，全产业链规模或突破万亿元。中国能否在关键领域实现反超并持续领先，将在很大程度上决定未来世界产业格局。这场竞赛没有终局，唯有持续创新者才能永立潮头。如果把光学比作工业的“眼睛”，那么光经济将是智能时代的“心脏”，这颗“心脏”的跳动节奏，可能就影响未来产业的脉动，而维护“心脏”的健康源于光创新链和产业链的无缝衔接。
（作者：罗先刚，系中国工程院院士、中国科学院光电技术研究所所长；本报记者崔兴毅采访整理）