量子信息技术前沿研究（精彩发言）

目录

• 1、刘伍明：激光冷却原子、分子的科学和技术

• 2、骆顺龙：经典关联与量子关联

• 3、郭国平：量子计算

• 4、高克林：原子光频标

【精彩发言】

1、刘伍明：激光冷却原子、介子的科学和技术

我讲的题目是《激光冷却原子、分子的科学和技术》，这个问题源于量子力学建立之初。20世纪20年代物理学体系中引进自旋开始，根据自旋是整数还是分数就把量子世界一分为二—玻色子和费米子。玻色子能够在极低温度下凝聚在基态，形成玻色一爱因斯坦凝聚。每两个费米子结合可以形成库拍对，其物理性质类似于玻色子，同样可以形成玻色一爱因斯坦凝聚。实验上实现玻色一爱因斯坦凝聚，实际上就是做一个低温的物理过程。通过努力，我们现在可以用物理的办法把系统降温到开尔文甚至毫开尔文的量级。由于波粒二象性的存在(一个粒子在室温下表现出粒子特性，而在接近零温极限时表现出波动性)，现在做的超导、量子点、离子和分子都必须在低温下进行研究。若要把研究的对象当作一个波来考虑，就必须在低温下才能做，有的甚至需要降到10-8甚至10-9才能满足要求，这个实现起来是极富有挑战性的。但是从2001年实现玻色子凝聚，2004年又实现了分子凝聚，再到后来我们实现了超导中自旋上下不匹配的自旋极化超流。科学研究的步伐从未因为困难而停滞过。

强关联问题，由于其长程关联问题和指数墙问题，从20世纪一直到现在都是困扰着理论学和计算学的科学难题。为了解决这个难题，我们在两个方面做了尝试。首先是利用激光束缚冷原子的方法，实验上模拟强关联体系。2009年实现用两束光装载冷原子，人为加人人造的规范场来模拟强关联系统。最简单的例子就是在二维电子器件中引人磁场，使得器件中的粒子在电场和磁场的作用下沿着某个平面做旋转运动，使二维电子器出现一个个的能级。其次的办法是利用冷分子。分子系统比原子更为复杂，其除了像原子一样具有平动和转动动能以外，更有分子内部结构运动能量、质心转动能等更多更复杂的内部结构。而其好处正是由于其内部的复杂性，更容易产生由于长程关联作用而出现的新型量子态。若能解决此系统的量子调控问题，就有效地解决了强关联体系的长程关联问题。中国很早就在这个领域开展了研究工作，上海光机所的王育竹先生、北大的王义遒先生早在1979年和1999年分别在冷分子领域做了深人研究并作出了突出的贡献。

总而言之，现在大家把激光冷却原子作为一个实验平台。首先要在这个实验平台上模拟一个可调控的量子系统，进行一系列复杂的量子仿真。其次就是和别的领域相结合，比如与光物理、凝聚态物理、统计物理和量子信息等学科有机地结合。再次就是一些潜在的应用，这个应用是非常直接的。我们“973”的项目在这项工作中的目标就是探索新物态和实现量子仿真，一方面发展一些物理理论，例如把相互作用、无序、规范场加人后产生新物态。技术方面的应用就更直接，例如制造原子十涉仪、空间原子钟（我们的原子钟能保证10-12的精度，甚至能达到10-13）、原子陀螺仪等。

全世界范围内大概有200个左右的实验组在这个领域进行研究。比较集中的还是在美国，有60多个，中国现在发展了15个组从事激光冷却原子的研究，能做出玻色一爱因斯坦凝聚的有7个。我们自己在这个领域也做了十几年的工作，主要是以下三个方面的内容：第一个是相十性，第二个是原子输运，第三个就是量子仿真和量子相变。

相十性方面，我们最早在2001年就开始做了。在2011年相十性工作获得了诺贝尔奖之后，我们做了完整的理论计算阐述了那个问题。而后，我们发展了一套新的技术—共振技术。就是通过改变作用在原子上面的磁场来改变原子之间的相互作用，进而可以产生可以同时调节强度以及频率的原子激光。后来我们发现了一些新的量子态，比如像龙卷风一样的涡旋态。朗道获诺贝尔奖的主要原因之一就是发现量子化的涡旋，紧接着他的学生认为超导体和一个超流体的涡旋形状应该是三角格子。而我们的工作是将其推广和发展，发现除了三角格子外，还可以是平方格子。如果是平方格子，这时的涡旋就应该是分数涡旋。我们最近一段时间的工作是发现自旋极化超流态，以及研究所谓的超逆流凝聚态等。

第二个方面，我们就是做一些原子输运研究，最初我们做的时候比较简单，2002年的时候，我们把原子放在一个光晶格里面，原子在周期势阱里面就要满足布洛赫定理。我们知道，自旋1/2电子在超导和超流里面会出现约瑟夫森效应。现在我们考虑一个高自旋体系，比如自旋为1或2，来考虑一个高自旋的量子隧穿问题。我们发现，在高自旋体系中如果是铁磁态，同样能发现阿贝尔的约瑟夫森效应，如果体系处于反铁磁态，则隧穿效应不可逆，我们观察到了非阿贝尔的约瑟夫森效应(该理论计算出的结果有待实验证实)。进一步我们还模拟出了光学腔中的光子约瑟夫森效应，通过两个相互弱藕合的光学微腔模拟超流同路，来实现交流和直流约瑟夫森效应的模拟，为研究强藕合原子微腔系统中的多体问题提供新颖的思路。

第三个方面，我们做量子仿真，在这个方面就可以“为所欲为”。其一，产生光晶格，通过调节对打激光数量以及角度可以产生出不同纬度的光晶格。其二，把约瑟夫森效应放进来，改变原子的相互作用。其三，调整不同的量子态，不同的组份。其四，可以改变几何结构。现在这几个实验都可以做出来，例如三角格子、六角格子、平方格子。我们除了做了这些以外，最近又做了一个三角Kagome格子，关于这个格子，我们发现一般情况下它就是一个金属到绝缘体的变化，在它的几何结构发生形变以后，我们发现了两个新的量子态—片绝缘体态和近藤金属态，而且我们在有机化合物中真实地发现了该几何构型的存在。

我们刚才讲的这些复杂量子系统的量子仿真和不同量子态之间的关联基本上都满足朗道的那一套理论。关于拓扑量子相变，自然界发现的很少，现在大家公认的也就一种。在数学方面文小刚把它分了200多种，但是到现在仍没有一个体系。怎样才能应用到实践?首先我们想到可以在光晶格钟模拟。目前我们做了实验，精度很高。这里面大家目前选的这一种原子钟能级频率主要是这个。下一步就是想精度更高，想到10-17或者10-18的精度。另外就是希望能够对一些复杂的系统，诸如铜基超导体已经用了20多年了，却没有一个人能解释清楚，我们这代人当年都往这里边冲，最后都“牺牲”了。问题就出在这是一个超导相和反磁铁相的共存体系，就是一个材料随着温度的降低就会出现所谓的波散，铜氧化物也会出现这样的情况。这是因为磁性和超导共存，理论上难以计算，现在我们借助数字计算的方法，通过编程以及软件包开发的手段逐步对这样一类复杂的系统慢慢进行考虑。我们中国科学家的研究得到了国际同行的认可，例如我曾应邀在2010年第22届国际原子物理大会上作了大会报告，这是国际上规模最大的原子分子物理大会，两年一次，这也是自1949年以来中国人第一个在这个会议上做报告。在这次会议上有6位诺贝尔奖获得者作报告，大会规模虽大，但报告人数有限，仅仅有20多人，我也有幸成为其中之一。

总而言之，激光冷却原子分子科学技术是集物理科学、信息科学等综合发展的科学，该领域在世界范围内正蓬勃有序的发展。我们工作的重心是在以上几个方面，并且我们也很想把新技术、新方法应用到高、精、尖科技当中，尤其是现代军事方面。我相信我们研究的技术成果能为冷原子的发展、军事现代化建设、国家科学综合国力的提升作出贡献。

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2、骆顺龙：经典关联与量子关联

关联是个很一般的概念和很复杂的对象，有着非常广泛而又不同的含义，有着异常丰富的结构。但在数学和物理上谈关联，我们通常有非常具体确切的描述。例如，在概率统计中，关联通常指协方差和关联系数，在通讯的数学理论中，关联通常指Shannon互信息，而在量子信息论中，关联通常指von Neumann（量子）互信息。关联的分类、刻画和量化是非常重要而又基本的课题，也是我们近年来研究的一个重点。我们在经典关联与量子关联的刻画和关系方面做了些工作。

人们通常将量子优越性归结为纠缠。但是请注意，在EPR态中，经典关联和纠缠都等于边缘态(约化态)的嫡，因而是等量大小的，并且纠缠不能独立于经典关联而存在，因此，很多量子优越性可能是经典关联与纠缠(甚至更广泛的量子关联)共同作用的结果，而并不应仅仅归功于纠缠。

现在量子信息论中两体关联的分类有两种通常的方案。其一是可分/纠缠，另一个是经典/量子。前一分类方案在近20年里已被广泛而深人地研究。很多人甚至将纠缠与量子关联等价起来，只是近年来人们才越来越意识到纠缠只是一种特殊的量子关联，量子关联的概念比纠缠要广，特别地，很多可分态里也有量子关联。这就诱导出关联分类的第二种方案，即经典/量子(关联)。这个分类方案是基于量子测量，与量子不可克隆也有深刻的联系。在该方案里，经典关联就是通过测量能提取的信息，而量子测量通常定义为在测量过程中被破坏的信息，即全部关联与经典关联的差。通俗地说，能通过物理测量手段读出来的就是经典的，读不出来的就是量子的。

在用嫡的概念量化关联的框架中，经典关联总是小于或者等于边缘态的嫡，经典关联能独立于量子关联而存在，但量子关联不能独立于经典关联而存在。量子关联的研究还处于初期，还有不少争议。现阶段量子关联的概念主要指量子失协（quantum discord），是2001年由Zurek和Vedral等引进的，到2008年，人们发现其对量子计算可能用，近年来也有些实验探讨量子关联，中科大郭光灿院士组在Nature Communications上有一篇很有影响的开创性论文。2011年我们在International Journal of Quantum Information编辑了两期关于量子关联的专刊。Reviews of Modern Physics不久要发表Vedral等关于量子关联的综述长文，对我们的工作有比较系统的论述和引用。相信无论在理论上还是实验上，经典关联与量子关联及其相互关系在未来会得到更多研究，并且会产生更大成果。

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3、郭国平：量子计算

我自己是做量子计算实验研究的，我先简单介绍一下量子计算。通常我们说的量子信息包括了两大部分，第一是量子信息的传输，如量子保密通信;第二是量子信息处理，如量子计算。但是广义上来讲的量子信息，它实际上应该指信息的量子化，应该超过目前为止我们对量子信息的理解。今天我们讲的量子计算是严格意义上的量子计算编码，处理和读取都是量子化的，但是如果只是当中的某一步量子化，我个人认为也应该算是广义的量子信息。

我们知道，量子计算最早是R. P. Feynman提出的，当时提出并不是考虑它有多快，主要是为了解决计算过程的发热问题，所以提出了一个可逆的信息处理过程。这个概念提出来以后很长一段时间没有受到太多的关注。量子计算到底有什么优势?当时对量子计算的需要并不是特别迫切，只有有特别的优势，才会引起人们的关注。后来Peter Shor提出量子算法，有了量子算法的量子计算机就可以快速地处理大数因式分解问题，而这个大数因式分解问题是目前很多密钥体系的安全基础。因此，量子计算机就可以比较容易破解这类密码。这样一来，量子计算才引起大家的广泛关注。后来印度人Grove提出一个新的量子搜索算法，可以简化信息搜索处理的难度，让大家看到了量子计算有更多的优势，这才会引起大家的兴趣，或者说产生了研究量子计算机的迫切性。

经典电子计算机的操作实际上就是一个输人和一个输出，有一个程序上的操作，这就是经典计算机最典型的模型。量子计算实际上跟经典计算机模型也没有太大的出人，经典计算机也有初始化，这里我们一直说把输人的状态变成一个初始的量子态，有一个初态制备的过程，所谓量子计算的核心实际上就是所谓的么正操作，这之后得到一个机器的状态，而且是量子的状态，然后需要进行测量。这个测量之后，量子的信息转化为我们所熟悉的经典值，所以大概过程是从经典掩码到量子，经过计算再测量，通过测量返同到经典值。

量子计算是有一些基本条件的，一台量子计算机像经典计算机一样有一个基本的要求，最重要的一点就是保持量子相十性，这个相十时间最少应该高于单次逻辑门操作时间的104倍。么正操作要封闭以保持长的相十时间，测量、控制要跟外界有相互作用，所以我们必须两者兼顾，取得一个平衡，既保持相十性，又能有效操作和读出。另外，经典计算里面也会有错码。量子计算也有各种各样的量子纠错码，做量子计算机与经典计算机一样有它的标准模型和基本要求，比如找到一个二能级体系，要使它能够在量子计算输人函数时完成信息的编码和态的初始化，这里除了。0和1的相互转动，X方向上的转动，还要求有一个。σ z，或者σ r这样不正交的转动。另外，还要可以完成2比特的门操作。

在这个之外还有单向的基于测量的量子技术以及基于任意子的拓扑量子计算等概念。不过，目前我们连真正的任意值还没有找到。单向的量子计算，就是先制备一个包含几百个粒子的状态，然后对其中的一个粒子进行测量，根据测量结果，再决定下面的测量粒子和操作过程，后续的操作依赖上一步的测量结果，最后可能几百个粒子做的纠缠态可以完成几个粒子，或者十几个粒子量子比特的量子信息处理或量子计算过程，最后，还有绝热量子计算，它始终保持在基态，现已证明绝热量子计算跟标准量子计算摩西是等价的。

目前，号称已实现商业化量子计算机的Dave公司发表了一篇绝热退火的文章，是关于8位的一个绝热退火的过程，类似于绝热量的计算，但也不完全相同。不过，据公开的信息判断，Dave公司那个量子计算跟我们所说的严格的绝热量子还是有差别，量子的相十性在他们的运算过程中是不被强调的，个人认为，Dave的量子计算机是具有某些量子化特性但不全量子化的信息处理过程。

标准量子计算机，如果去掉量子化的部分，跟经典的标准计算机没有什么区别，经典计算机所能做的它都能做。量子计算机加人量子之后，对于处理某些问题，如大数因式分解等具有一定的优势，但不是所有问题都有优势，可能还有一些新的我们还没有发现的优势，但这还需要进一步的工作。真正全量子化的量子计算机未必能够在近期做出来，那么近期我们也许可以先实现量子模拟。量子模拟也是很有意义的，比如要精确求解一个三体问题很难，现在计算机当然也可以完成，但是如果五体问题，十体问题，100体的呢，假设100个电子相互作用，对于这样的问题，经典计算机就不好做了。这种情况下，所谓量子模拟，如果我们用100比特模拟它们之间的相互作用，就是某一种物理过程的相互作用，根据模拟的过程和结果就可以知道这100个粒子相互作用一段时间之后会变成什么样子。因此，即使现有量子计算机的比特不是那么多，或者在真正的大规模集成量子计算机做出来之前，量子计算或者量子模拟的研究也是可以解决一些实际问题的。

标准的量子计算模型事实上目前来看还是在摸索的阶段，大家也不知道哪个物理体系特别好，哪个物理体系一定适合。就像当年经典计算机的电子管还没有做出来之前的那段状态，更不要说到了晶体管这个阶段。目前大家在不同的物理体系上面，或者同一个物理体系采用不同的方法可以做单比特的门，2比特的但是，如果把各个技术放到一起，这个目前还是很有困难的，可能在某一个体系，某一种方法做某一个事情，或某一点上，做得很好，但是把所有的技术融合在一起，目前还是很有困难的。

我们国家在量子通信，特别是量子密码分发方面研究比较多，但量子计算方面，总体来看我们没有像量子通讯那样具有比较高的国际竞争力。我个人选择半导体体系做量子计算有几点考虑。我坚信信息的量子化过程不可避免。现在的CPU或者信息处理都是基于晶体管做的，半导体晶体管集成起来就得到我们所说的芯片，或者说CPU是信息处理的基础。摩尔定律告诉我们，晶体管越做越小，小到一定的程度，量子效应就无可避免，现在半导体芯片技术继续发展必然会有一个量子化的过程，目前我们还在想各种办法避免和克服这些逐渐显现的量子效应。但越往后发展，量子效应越强，避免和克服这些量子效应的出路在哪里呢?我们为什么不反过来充分利用这些量子效应呢?开发利用这些量子效应，这正好与量子信息领域的量子计算概念不谋而合。半导体产业和技术的发展正好为半导体量子计算的诞生奠定了良好的技术和产业基础，而且半导体栅型量子点量子计算的操作是全电学的，与我们熟悉的经典计算机运作模型类似。

信息的量子化的趋势是无可避免的，就看你怎么样量子化，或者在某一个时间到底量子化到什么程度。我们应该抱着一个乐观开放的心态来迎接、参与、推动信息的量子化过程。

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4、高克林：原子光频标

我从三个方面介绍光频的精密测量研究。

第一个就是精密光频测量的发展。我们知道精密谱测量与科学的发展是紧密相关的。举一个例子来说:我们人类认为理解最清楚的就是氢原子，因为氢原子只有一个电子，但是我们开展氢原子光频的测量是从1920年开始的，而且到现在还在继续。也就是说，我们为了了解相关的物理规律而对它的测量精度要求是没有止境的。精密测量与物理学发展的关系有:氢原子的精密光谱是量子力学的奠基石之一;氢原子兰姆位置和电子反常磁矩的测量导致量子电动力学和CPT守恒最早和最精密的检测;原子频标在地面上和火箭上的对比实验，导致了广义相对论预言的重力红移的证实。由此可见:精密谱的测量精度的提高推动了当代科学技术的发展，同时推动了科学的发展。

我们知道，目前在所有的可测物理量中，频率的测量是最精准的。如秒的定义在1967年为133Cs原子基态两个超精细能级之间的跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期所持续的时间。这是由于微波的测量技术发展得比较好。现在由于光频测量的迅速发展，大家正考虑未来的秒定义可能是原子光频跃迁(光钟)。现在光频测量的精度能达到多少?光梳的传输精度到达10-19量级，原子光钟频率不确定度是10-18(18位有效数值)。所以，频率的测量是精密测量的前沿。

近年来，控制原子和激光的技术有了新的发展，出现了冷原子和超窄线宽以及飞秒光梳，导致了光频的精密测量的飞速发展。光频标准的精度超过了我们现在所用的微波标准。正在帮助人们实现更精准的时间标准的梦想。

那么，什么是原子光频标?它由三部分组成:一是非常稳定的原子体系，这就是冷原子。现在用在原子频标的原子有两种，第一种就是囚禁的单个离子，第二种就是囚禁在光晶格里的冷原子团。二是探测冷原子光频跃迁的激发源—激光器。因原子光频的线宽往往小于赫兹量级。所以，激光的线宽应小于光频的线宽。三是如何知道光频标的特性，由于现在的标准在微波，我们需要一把很精准的尺子，这就是飞秒光梳。

光频标的发展以囚禁离子为例(因我从事囚禁离子的工作)。世界上现在已开展的有：Hg,Sr,Yb,Ba,Ca,In,A1。其中精度最高的是A1离子。由于光频标的精度已超过微波频标，大家都在开展光频标的比对，即两个高精度光频的测量。除了美国标准局的A1离子，2012年日本用两个原子，一个是一维光晶格中铭- 87原子，一个是二维光晶格中的铭-88原子。两个光频标的比对测量精度到达10-17量级。

有了如此高精度的原子频标，我们能做什么呢?首先，可能用来定义我们的时间频率标准。在基本物理方面，在更高精度上检验物理定律和物理规律。例如，基本物理常数是不是不随时间变化;相对论效应在更高精度上是否仍然成立。研究在更细微的物理里面有什么新的效应和新的现象，由此导致新的物理。而高精度光钟在全球导航定位系统和重力场测量等中的应用，会推动社会和经济的发展。

说了原子光频标的意义和国际发展，我向大家汇报一下我们小组从事了10多年(确切地说，本人从事囚禁离子工作27年，开展单离子-光频标12年)的囚禁冷却Ca离子光频标的工作。

首先，我们选择了Ca离子体系，主要是因为它的能级比较简单，而且所有的能级跃迁可用固体激光到达。Ca离子的量子态的制备和在量子信息和光频标中都有一定的特色。

我们采用非标准的微型射频(Paul)离子阱囚禁Ca离子。单个Ca离子的荧光信号用一般的光电倍增管测量。需要很好的抑制本底和噪声，同时利用量子跳跃的方法。囚禁离子需要对囚禁场和外场的精密控制和调节。光频标中最关键的是对激光的调控。对不同用途的激光我们有不同的要求，如冷却用的激发光(397nm)和同泵光(866nm )。因为冷却原子的激发态(P)能级是兆赫兹( 20MHz )，我们的激光线宽小于千赫兹( kHz)就行。还有激光的漂移的抑制，我们先采用腔和原子的光电流同时锁定的方法，满足了冷却离子实验要求，后来采用初稳腔和比较腔的稳频方法，满足光频的锁定实验。而光频跃迁的线宽为赫兹量级，这样对激发光(729 nm)是一个挑战。为此，我们设计和加工了一个由超低膨胀系数材料制备的细度极高的光学超稳腔，把这个腔放在真空容器内，然后进行温度的精密控制以及振动抑制，通过细致的调节，把729nm的激光锁定在腔的共振峰上。锁定的激光频率与离子的光频跃迁频率有一点差距，再用一套声光移频系统把它调到光频上。稳定锁定时间从最开始的几秒钟，然后几分钟，再到几天。你要测量窄线宽激光，只有通过有同样精度的激光进行比对测量。为此，我们建立了半导体稳频的激光，两者的拍频测量结果为小于10Hz。

建立了囚禁用射频离子阱和较稳定的冷却用激光系统，我们开展了单个离子的囚禁冷却实验。用电子束轰击原子束使其电离，产生的离子由一定的电磁场囚禁，扫描激光的波长实现离子的冷却。多个离子采用适当的加热方式，使多余的离子逃离。剩下单个离子，单离子的信号非常弱，但可用量子跃迁的方法测量。经过这么多年的努力，我们现在对离子可以控制得较好，囚禁的单离子可在阱中保存巧天。

如何测量单个囚禁和冷却离子的光频率呢?我们应有一个基准，这就是国际标准值(SI)。我们现在没有艳原子频标，只有氢原子钟，而中国计量院现在有世界时，可否利用GPS比对的方法开展远距离的比对测量呢?我们尝试了这种方法。在2011年6月和7月进行了两次分别为15天和17天的测量，由此给出了对氢钟的校准。而原子的光频率是应考虑物理和环境对它的影响的。在目前条件下，我们考虑所有可能的效应，主要包括运动、磁场、电场、温度和引力的影响，为此得到了系统误差表。加上统计误差，给出了40 C a离子的光频跃迁的频率值，有效数为巧位。

这对我们是非常大的挑战，因为目前对于多电子的原子体系，理论上很难计算得到频率的准确值。所以，现在都得靠实验，而频标是通过比较大家的测量值取得一致后得到的。国际上已经在2009年推荐了它的频率测量值，这个值是来源于奥地利和日本两家的实验结果。我们的测量结果同这个推荐值是一致的。2012年我们向国际计量委员会推荐了我们的测量结果，最新的消息是我们的推荐值被国际接受了。经过大家的努力，我们建立了一个光频标，但我们的工作还是初步的。进一步的工作是什么?第一，我想还是关键技术的攻关:最重要的还是激光的稳频问题，这是很有挑战性的。同时，激光的问题很多取决于电子学电路控制精度。第二，误差分析，需物理思路和对外场的精确控制能力。第三，谱的精密测量。

人们为了探讨大自然的规律，对精密的追求是没有止境的。究竟光频测量的极限在哪里呢?能否考虑:把量子态的控制和我们的精密测量真正挂钩，探讨激光线宽的极限实现;还有一些更细微的频率漂移机理，能不能找到更合适的原子体系?如何把全球的光频标连接起来，这些都是我们要讨论的问题。

我谈一点自己的想法。可否建立以光频作为“秒”的新定义?大家说可能2019年讨论秒的新定义，我想也许可能还要早一点。所以，我们应更加努力地工作，争取中国在时间/频率标准方面有一定的话语权。另外，我们现在应建立时间/频率传递系统。能否考虑单离子光频标和冷原子光频标各自的优点和如何借鉴，由此突破原子光频标的极限，并探索一些更细微的东西?