每秒运算千亿次的光子计算机，真的能实现吗？

　　出品："格致论道讲坛"公众号（ID：SELFtalks）

　　以下内容为中国科学院物理研究所王霆演讲实录：

　　今天跟大家分享一些关于微纳光学领域的前沿科学。

　　在切入微纳之光主题之前，我希望先跟大家分享一下我的个人经历，来说明我为什么走向微纳光学这个科研领域。

　　机缘巧合下，在我十几岁的时候，英国剑桥的St. Mary's School来北京招生，我去面试了，结果就去了剑桥。

　　去了之后特别惊讶，发现这个学校原来是个女校，全校600个女生就我一个男生！

　　大家不要笑，大家可能觉得，男生到女校不是挺高兴的事吗？

　　其实不然，去了之后就会发现，作为唯一一个亚裔，我被排挤得非常的厉害，所以一度非常沮丧。

　　但是有一件事情我特别自豪——我的成绩非常好，这归功于我们伟大祖国的基础教育。

　　在座很多小学生朋友们都会乘法口诀表吧，随便问一下八八等于多少，每个人都能回答出来八八六十四。

　　但是，欧美的学生是不会的，他完全不知道，因为他没有这个东西，所以这个事情他怎么做呢？他只能8+8扒着手指头算或者使用计算器。

　　去了之后你就会发现，我们通常需要用30分钟完成的作业，他们却需要花三个小时，可能还完成不了。

　　当时我的优越感怦然而生，这种优越感一直伴随着我，直到进到了大学里面。

　　在大学一年级下半学期的时候，我突然发现了一件算是晴天霹雳的事儿，就是所有的华裔学生考试都开始不及格了，我们原来都是名列前茅的，但是这时成绩会变得非常差。

　　为什么呢？因为在欧美的大学里是学分制的算法，不是按照考试来算的，而是按照课业项目来算的。

　　这个项目可能是跟一个公司合作，IBM、英特尔之类合作的一个项目，他只告诉你需要完成一个什么目标，但是在完成这个目标的过程中，你没有任何的指南、你不知道你需要什么样的材料、也不知道你需要什么样的设计，一切的东西都是原创性的。

　　这时欧美学生的优势就体现出来了，因为他们在教育过程中，从未有过像乘法口诀表这样的定式思维。

　　我们所学的东西，都是被动的、被传授的；而他们不是，他们是主动地去寻求生活中细微的科学答案，这就体现出了特别明显的差别。

　　所以，我也一度非常彷徨，我不知道我需要什么、我也不知道我想寻求什么。

　　很庆幸的是，在我大三的时候，遇到了我的导师 Greg Parker 教授，他给我做了一组很简单的关于量子点的实验。

　　量子点是微纳光学中一个非常典型的纳米颗粒，他展示这个实验之后，我就深深被吸引了，我觉得这个东西太有意思了！

　　大家可能不知道量子点是什么，随后我会详细跟大家解释一下，就是这个简单的实验，让我想要在这个领域从事科研、去探索这些未知的美。

　　量子点是什么

　　大家肯定很好奇，量子点是什么样的东西？会让你觉得这么美好、让你希望去探索它、希望去研究它。

　　量子点有三个特性：

　　第一个特性：它是非常小的原子颗粒，一百纳米尺度以下的原子团簇。什么是原子团簇？就是一堆原子。但是它的尺度非常小，小于一百纳米。

　　可能大家没有概念，一百纳米，其实只有一千万分之一米。一千万分之一米这么小的一个原子团簇，这是它的第一个特性。

　　第二个特性：它是一个准零维纳米材料。

　　三维大家都知道，就是我们日常生活中所有的块材材料。我们这里举一个例子，典型的就是碳，大块的煤块是三维的。

　　什么是二维？你可以想象一下，把石墨材料或者一个碳块，无限的横向切割，把它切成像生鱼片似的、非常非常薄的、只有原子厚度的薄膜，这个就是石墨烯。

　　一维就更直接了，那就是一个碳纳米管，它是在单一方向无限延长的、只有一维自由空间的这么一个材料体系。

　　最后我们就要说到零维。零维就意味着在这样一个空间或者这样一个材料体系内，你没有任何的自由空间，哪都去不了。

　　可以想象一下：如果是一个小原子呆在里面，它哪都去不了，但是如果你让它完全不动，它需要小到一个极限(小于原子尺度)。

　　我们说是一百纳米，它还是一个原子团簇，所以它只是准零维，还不是零维，是接近零维的这么一个标准。这是量子点的第二个特性。

　　这两个特性结合在一起，量子点它有意思在哪里？

　　这两个条件产生了量子限域效应，是1961年日本的久保先生提出的久保理论，我们现在称之为“量子限域效应”。它的作用是什么？

　　任何物质缩减到非常小的一个纳米值，可能大家看到的非常大的一个铁块或者任何物体，当它缩小到一个纳米尺度的时候，它的电子能级会由连续变成分立。

　　就像图中所示，它从三维缩减到二维、一维、零维的时候，电子的能级逐渐变成离散型的。

　　离散型到底有什么用？举个简单的例子来说，在日常生活中看到的某一个物质是磁性的，缩到零维的纳米尺度之后，它可能变成导电的或者变成绝缘的；一个可能完全不发光的、黑乎乎的物质，当它缩小到零维空间的时候，它变成了发光材料、五彩斑斓。

　　这就是从三维变成零维结构之后，所谓光、热、电等等一系列的物性相互之间的转化。

　　因为我们这里讨论的是微纳光学，所以我们希望去探索量子点到底有什么样的光学性质，马上我会给大家做一组实验。

　　在做实验之前，我先给大家变一个魔术，一个简单的魔术。

　　大家可以看到我这里有一瓶水，对吧？这是一瓶水，没有什么奇特的，就是一瓶水。但是我会用我的意念让它产生一些变化。

　　在场年轻的学生朋友们，你们觉得我用意念之后它会产生什么变化？那我数一下3 2 1，我用意念让它产生一些变化──来！3 2 1！是不是蓝色的光？

　　其实刚才给大家卖了一个关子，这也不是什么普通的水，这个就是我们说的量子点，里面有纳米颗粒。

　　大家可能看不到，我的右手拿着一个手电筒，其实就是一个泵浦的光，当量子点被紫外光或者高能量的光泵浦了之后，它就会呈现了不同的颜色。

　　现在我给大家做一组简单的小实验，看看量子点如何呈现不同的色彩。

　　我们会将一系列硒化镉量子点融在有机溶液（甲苯）中，可能这些溶液看起来像白水一样的、或者有淡淡的一些颜色。

　　当我们将这些量子点放在紫外光中，它就会呈现出不同的色泽，这个原理是什么？

　　我们通过分散纳米尺度，不同原子大小、不同尺度的纳米颗粒，会呈现出不同的色泽。

　　大家可以看到这当中不同的颜色，这就是量子点奇妙的地方，这也是我们刚才提到的“量子限域效应”。

　　硒化镉量子点（甲苯溶液）那么，我问大家一个简单的问题：我们现在有三个标准的颜色，三基色。把红绿蓝三个颜色的溶液分别打开，我将这三种不同尺寸的纳米颗粒混在一起，大家觉得会有什么样的变化？

　　我现在给大家展示一下，它变成青色了，有没有？我们做到最后，它变成了白色，这也就是白色led，或者说是白光的发光原理。

　　我们把三基色（三种不同尺寸的量子点）融合在一起，它会成为未来的照明系统，可能会是我们利用的一个方向。

　　不同的尺寸的硒化镉量子点，给了我们不同的色彩。

　　另外还有砷化铟量子点，看着像一个个黄豆颗粒似的，这就是砷化铟。

　　这是非常典型和常见的两个量子点的例子。

　　右侧的这个量子点，它会被我们大范围的应用到光电通讯中，可以用于制备激光器和探测器，因为它是在红外发光。目前来说，大家所使用的宽带、所有的光纤通讯中使用的探测器和激光器，很大比例都是使用这种量子点完成的，所以它也是我们光通讯中一个非常重要的材料。

　　量子点的应用

　　来具体的说一说量子点到底有什么应用。

　　三个应用方向：第一，“显示”。大家看到了色彩斑斓的颜色；第二个方向就是“光通信”，我们前面简单提及的这个方向，我后面会详细讲析解释一下。最后一个就是“量子计算”。

　　首先说一下显示方向。左图中，我们将量子点和传统显示屏结合在一起；右图是屏幕制作完成之后所呈现的不同色彩，这样的屏幕色彩饱和度极其的高，有非常好的色泽度、显示度，而且它的功耗很低，也就意味着如果做成手机屏后，未来你的电池可能会用两天、会用三天。

　　这个专利已经被三星购买了，在开始大幅的量产，所以这是量子点最直观的一个应用。

　　然后介绍一下中长期的应用方向──光通信。

　　说到光通信，我就不得不说一说现在的电子通讯。上个世纪到现在，大家从用笔、用纸的年代，到现在用电脑到iPad到智能手机，彻底地改变了人类的生活方式，这都归功于Gordon Moore--摩尔先生，他发明了摩尔定律，是英特尔的创始人之一。

　　他在1970年提出了摩尔定律，即电子芯片当中最小的单元──晶体管──每18个月它的总数量会翻一番，其性能也会增加一倍。

　　所以我们的电脑从286、 386的时代开始，一直到奔腾的I 、II、III、IV，直到2010年摩尔定律都保持了它非常成功的预言。

　　但是在这之后，它逐渐开始失效了。大家可能已经意识到，现在这几年用的手机、电脑性能并没有那么高的增速。

　　我们现在是大数据时代，互联网经济蓬勃生长，无论是从智能手机的发展开始，还是说我们的人工智能，对数据的需求量是非常大的。

　　但是我们用电子作为芯片、作为信息载体的这个方式，已经满足不了我们的需求了。

　　我们需要什么？我们需要光子。大家都知道，光的速度比电要快的多，所以我们希望通过光子取代电子，成为新的信息载体。

　　谷歌建的一个数据中心，在近两年内已经投入了10亿美金，因为数据存储量不够。它目前的数据量达到了五个ZetaByte。

　　ZetaByte到底是一个什么样的尺度？通常一个手机存储空间几十G或几百G，这是1万亿个G。就这样还是完全没有办法满足我们现在的数据需求量，大部分时候是超载的。为什么？

　　因为所有的数据中心里，大部分的信号处理还是采用电，在用电和电芯片之间采用光互联，电的速度极度抑制了处理和传输信息的速度。

　　那么我们需要做什么？首先就是采用光电模块，保留部分的电子芯片和光结合，采用一些光电模块，大幅提高数据中心的速度，这是我们的第一步。

　　第二步我们需要采用光逻辑，用光去产生逻辑，那么我们就可以实现光的晶体管，来可以完全取代所有的电子晶体管。大家就会得到“光芯片”。

　　最终大范围地实现光芯片集成，以后大家得到的可能就不是什么电子计算机了。我们要什么？光子计算机。

　　光子计算机究竟有什么样的作用呢？最终的目标是希望它能够达到一千亿次每秒的运算速率，会远远超越现在所有手机、电脑、iPad当中的电子芯片的运算速率。这会是未来改变人类生活方式的另一项重要的科技。

　　除了前两个应用方向，还有一个最重要的“量子计算机”。

　　现在有很多实现量子计算机的方式，包括冷原子、超导等等。但是我们在讨论微纳光学，所以我们希望去探索如何使用光子去实现量子计算机，也就是采用光子作为量子比特。

　　2017年中科大实现了8量子比特的这么一个光量子计算机，下一步是12量子比特，最终我们希望在十年内实现一百个量子比特。

　　一百个量子比特是什么概念？它的运算速率会达到现在全世界运算速率之和的一百万倍。

　　通过计算，我们不仅可以助力人工智能——计算人脑内的神经突触和细胞之间是如何沟通、如何交流的，还可以帮助探索外太空，可能会彻底改变地球的面貌。这些是量子计算机更长远的应用。

　　总而言之，微纳光学基本上已经在目前慢慢改变我们人类的生活。我相信在未来的50年到100年，微纳光学可能会彻彻底底的改变所有人对信息的认知、对数据的认知以及大家的生活方式。

　　希望我今天的这个演讲，能够让一些年轻的观众未来加入到我们的阵营里面来。谢谢大家！

　　“格致论道”，原称“SELF格致论道”，是中国科学院全力推出的科学文化讲坛，由中国科学院计算机网络信息中心和中国科学院科学传播局联合主办，中国科普博览承办。致力于非凡思想的跨界传播，旨在以“格物致知”的精神探讨科技、教育、生活、未来的发展。获取更多信息。本文出品自“格致论道讲坛”公众号（SELFtalks），转载请注明公众号出处，未经授权不得转载。

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　　澄濡4R

　　我读懂了您的思路和想法，不过我觉得您的思路和想法之"理论"层面…还存在着欠缺的"短板"，也即是说整体"框架"是正确的，但在具体的细节性方面还存在着因基础理论本身所固有的"空缺"和"短板"所带来的"误区"和"误差"…使得在实践应用过程中会面临迷宫中的区域性"小格"之"死胡同"…类的问题，即看得见却够不着一一因为还隔了一层捅不破的纸！！！而这层"纸"就是因基础理论的"短板"的存在而必然的存在…

　　2020-08-05

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　　果寻双A9

　　人才啊，不过你说什么都没用啊。改变不了的

　　2020-08-08

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　　澄濡4R

　　接上页:打个形象的比喻，一只猴子的屁股特别的红，而猴群中的猴子都喜欢红色…认为红色是最美最好看的颜色，那么猴群的审美眼光是没有对错的，猴子长个特别红的屁股更是幸事，可如果这个猴子因此而整天站在高处把自己的特红的屁股翘得高高的在猴群面前晃悠和显摆…这就是耍流氓了！！！是的，其屁股的红色是让猴群看到红艳而感到色彩所带来的美感刺激之大脑愉悦，可猴群亦然可看到屁股的私处之"形"而感受到丑陋和肮脏！！！

　　2020-08-08

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　　澄濡4R

　　接上页:我可以明确而又肯定的告诉您，每秒运算千亿次的量子计算机…是完全真的能实现的！我为什么说是量子计算机而不如您所说的光子计算机？因为只有明白了强核力和弱核力的由来和本质及其内在原理，量子这个概念才能得以边界清晰的得到认知，也才能够被适用范围规范…才能够真正有效的被应用于实际，同时也是在此前提下量子纠缠现象才能够被从本质上的得以被解释和理解…即是说完全透彻的解答出"为什么量子层面…只有被测量才能

　　2020-08-05

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　　2018NGUYEN

　　科技真是日新月异，很多东西都是闻所未闻的

　　2020-08-05

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　　乐正平oR

　　光亮子計算機以我國目前實力完全可以提早實現，只不過關鍵問題卡在散熱問題暫時還有點欠候？（光亮子計算速度達到幾億次發熱還是嚴重的）

　　??

　　2020-08-06

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　　澄濡4R

　　接上页:我在任一对话框里所写的微博之内容与我而言…本意并不是与作者或是任何他人用以交流的，而是在用笔记本记下自己的所思所想…用手机的对话框所写的微博之内容会自动归档在我的"笔记本"之微博空间，我自己查找和"温习"起来特别的顺手和方便，更为重要的是…所有重要和有实质性突破认知的灵感突袭…都是在深层思考的内容徘徊和酝酿在我的潜意识层面而"厚积薄发"的，当它们"成熟"时我就得以最快的速度将其记录下来，

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　　@斋曜文6f

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　　噗呲，您还好意思质疑人的理论？看看这文章的作者，中科院的官方好，敢问您是哪所高校毕业的

　　2020-08-08

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　　澄濡4R

　　接上页:的，当我愤怒的回击他后，他又留言骂我是神经病，还说要用水贴面法(即水刑)来对付我…那一刻我有种直觉的灵感，理论物理这"块"有内鬼，且已经掌握了"满满的"和"足够的"由国内而来的方方面面"真材实料"即将出国…即外逃(这仅仅是因我潜心写作却无辜被辱骂而产生的灵感所衍生而来的直觉…因为我联想到那种即将出国潜逃的内鬼才会得意忘形的随意攻击他原先"蛰伏"时"忍耐"已久的人)，其时的我就如同那正欲下蛋

　　2020-08-06

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　　澄濡4R

　　接上页:了，当时我就写了量子层面的动静两态可以毫无破绽的完美"一体态"(即从微观而言所有量子都是沿量子达尔文之路永恒演变和进化的，而从宏观层面而言量子层面又呈现各种类量子同种类是自我两两间距相同而不同种类这自我两两间距又各不相同的永恒之"静置"状态)的内在原理，当时我的眼睛和身体都因熬夜写作而出现了问题…所以写得很是吃力和艰难，这时却有个网名叫"网络巡察监督"的人又是留言侮辱我是搞传销的或是卖保险

　　2020-08-06

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　　澄濡4R

　　接上页:而且再快的写速也达不到当时我脑子里涌现的内容被完全记录下所需要的“快速"…稍一迟疑，就如同"堵车"…明明路不窄，可车太多，横七竖八的全挤在一起"绞"上了"堵"住了…出不来了！所以这种时候如果再去拿笔和纸记录…就比不上以手指为笔以手机屏为纸要来的快和记录的顺畅…这就是我拿微博空间当笔记本的原因！说了这么多…你该明白，一个不是物理专业出身的"外行人"能有基础理论认知的突破，而有着高学历甚至是

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　　@斋曜文6f

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　　噗呲，您还好意思质疑人的理论？看看这文章的作者，中科院的官方好，敢问您是哪所高校毕业的

　　2020-08-08

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　　澄濡4R

　　接上页:完美的形成了一个唯杨马首是瞻的"杨家班"…且几乎是成功的架空了中科院…在国内科学界有着绝对的话语权和权威的存在感，当然，如果其是凭自身的真实力和出真成果而能达成其如今之势…则是实至名归更是无可厚非，可从杨八十二岁回国"效力"至今，除了再娶二十几的孙辈之妻且高调示人的广为宣传和大为宣扬从而造势以引领崇拜…热衷且忙乎着到处"赶场"大大小小物理"盛宴"之主座之位外…就是迎来送往的"呼朋唤友"…

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　　@斋曜文6f

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　　噗呲，您还好意思质疑人的理论？看看这文章的作者，中科院的官方好，敢问您是哪所高校毕业的

　　2020-08-07

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　　澄濡4R

　　接上页:和利三方面都能得到利益最大化的国内来养老，又是娶孙辈之妻，又是呼朋唤友，又是整天高调宣传他过去的举手之劳之功和娶孙辈之妻之本事和能耐…妥妥的把原本是严肃庄重高尚之学术界"整"成了比娱乐圈还八卦和出奇…鱼龙混杂乱象丛生，学术造假和浮夸之风盛行，总之一句话:乌烟瘴气！！！由杨在唱"主导"的学术界特别是理论物理这"块"…真的是让我心生鄙视，更是冷了心、凉了意，提不起兴趣再费神费心的写了…！！！

　　2020-08-06

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　　澄濡4R

　　接上页:是可以因此而"一通百通"的！！！这也就意味着，如果当初按"某些人"的意思和安排，潘被排除在量子计算机的研发之外…被"包干"在量子通讯这一"块"，那么国内在量子计算机的研发方面…不仅在用人方面是本末倒置，更是在过程中是费力费财耗时长效率底，关键是最终很可能会"竹篮打水一场空"，当然，那私心太重聪明过头的"某些人"倒是可能会以研发量子计算机的重要性为名而"明修栈道、暗渡陈仓"的剽窃和"霸占"

　　2020-08-05

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　　澄濡4R

　　接上页:被具体的确定"这个问题！！！而有了这些最基础理论的"深入"之"探底"能力前提下而得出的结果答案才是"破局"的前提条件，这就是我特别的反感和坚决的反对"某些人"私心太重聪明过头的将物理行业的科研这"块"划区分片"井水不犯河水"的"包干"的原因！！！因为在量子这个领域，入行最早"深耕"时间最长因而最有经验和实力的就是号称"量子之父"的潘建伟教授及其团队，而潘所一直钻研的量子通信的理论基础就是

　　2020-08-05

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　　澄濡4R

　　接上页:有资格"入列"争诺奖和夺诺奖之"方队"，你所问的我是哪所高校毕业的…有意义吗？！！！如我前面所述，光的本质是光子通过波动复制来达成位移…这是进入"全封闭"的量子力学大厦的唯一之"入户门"通道，亦是解开量子力学大厦内所有"秘密"的关键，所以我不需要质疑任何人的理论…只是为别人"搭把手"指指方向让其少绕弯路而已…当然，不是所有人我都愿意如此对待！！！人之立世，从时间上来说是短期可以靠运气，中期

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　　@斋曜文6f

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　　噗呲，您还好意思质疑人的理论？看看这文章的作者，中科院的官方好，敢问您是哪所高校毕业的

　　2020-08-08

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　　澄濡4R

　　接上页:的母鸡，被突然惊扰到了…一个激灵的…蛋被憋回去了一一灵感突发而来的思如泉涌之状态被抑制住了…心理明白的所有之太大太广的信息量无法再通过文字记录下来了…及之后来直至现在，我都提不起兴趣再来组织语言去"翻译"心中所明白的那些巨大巨广的信息量之基础理论内容了！我所有原创的写作之内容…可真的都是可遇而不可求的，如果没有灵感突袭而来的思如泉涌及旺盛的写作兴趣…光强迫自己坐在桌旁苦思冥想是写不出来的！

　　2020-08-06

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　　澄濡4R

　　接上页:几个月前，我对量子纠缠现象的本质之理解和认知达到了质的飞跃…可以说是达到了"探底"的程度了，即是完全透彻的知道"量子层面…只有被测量的情况下才能被具体的确定"的内在原理，随着更深入的思考…更是想通强核力和弱核力的由来和本质及其内在原理，只是信息量太大太广太难写…我一直沉下心来静静的思考，期待着思考成熟之时灵感突发的思如泉涌那一刻的到来时我将它们写出来，后来果真我可以不假思索的就可以快速的写

　　2020-08-05

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　　澄濡4R

　　接上页:别人对光的本质的认知之基础理论的突破…去沽名钓誉的争诺奖并以此而"完美收官"，这可真是"肥"了个人害了国家啊！！！越是个人所得成就与自身实力不符不实的人…就越是容易"飘"，摆谱夸功和撑面子摆场子，结果就是又掀起一场虚假和浮夸的"泡沫"之行业之"风"，即未来的又一个"杨振宁"又"诞生"了…又一个不求务实上进、专好作妖搞怪和使坏的"杨家班"又形成了"接班"了！！！我们国家不能再经受折腾了！！！

　　2020-08-05

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　　李小加ok

　　光子计算机中国必须有

　　2020-08-05

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　　岭南一碌蔗

　　然并暖，尽是些不战却意欲屈人之“兵”，装神弄鬼结局注定是一地鸡毛。洋异的屈从不止于亮剑，且需是白剑进红剑出方才彻底没气。……这边厢迷于说剑、吹剑，出神入化。

　　2020-08-05

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　　傻子不说话

　　科技能够改变世界，看来一点也不假。让我的孙子好好读书。用知识改变命运。

　　2020-08-06

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　　skw1975

　　绝大部分都理解不了

　　2020-08-05

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　　孤风绝影

　　看起来很容易搞啊

　　2020-08-05

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