钻石有望在量子世界大放光彩 让钻石“色艺俱佳”
钻石有望在量子世界大放光彩http://y0.ifengimg.com/cmpp/2014/03/16/09/efa6a1e9-2a9e-435b-b5bd-68d7898ad975.jpghttp://y0.ifengimg.com/cmpp/2014/03/16/09/ccad6f96-8f65-44f0-9e76-1d7d38ced1cf.jpghttp://y2.ifengimg.com/cmpp/2014/03/16/09/213900ad-e122-470c-9f02-fa76b871ecaf.jpg“六大元素”公司制造出的超纯净的钻石，瑕疵率不到十亿分之一本报记者刘霞综合外电“钻石恒久远，一颗永流传”。钻石是妙龄女郎的爱物，现在也“摇身一变”，成为从量子计算到癌症诊断等各领域研究人员的“香饽饽”。全球生产各种工业用合成钻石的领导者“六大元素（Element Six）”公司制造出了超纯净的钻石，其瑕疵率不到十亿分之一。这种被称为“神奇的俄罗斯钻石”大小仅为2平方毫米，纯净明洁，优异卓越的性能让很多昂贵的珠宝都想将其据为己有，希望其能为它们锦上添花。除此之外，很多量子科学家也都希望能将之纳入麾下，为其所用。完美的瑕疵让钻石“色艺俱佳”在2005年的大部分时间里，德国斯图加特大学的物理学家约格·沃切特鲁普的主要任务就是找到类似这种钻石的钻石，最后，他的研究团队通过对俄罗斯科学院的相关论文进行逐一筛查，从而发现了它。在筛查中，他们读到了对这种罕见珠宝的物理学属性的描述。不过，让沃切特鲁普深深着迷的并非这种钻石美丽的外表，而是其深邃的内在：这种钻石非常纯净而且拥有堪称完美的瑕疵。在这种神奇钻石的内部，碳原子组成的规律钻石网格中间或会掺杂有一个氮原子，使邻近的碳原子消失不见。碳原子消失后留下的每个洞内，可能都会捕获一个电子。沃切特鲁普和其他科学家总结出的理论认为，在某些特定的情况下，这些洞内的电子可能是存储量子计算信息的完美媒介。科学家们认为，通过探索和利用量子力学世界里各种令人匪夷所思的属性，量子计算的速度和能力能得到大幅提高。与用来存储量子信息的其他候选者不同，钻石内的这些瑕疵在室温下就能工作。为了测试这一想法，沃切特鲁普的实验团队将该钻石切割开，并将其中的一半送给美国哈佛大学的物理学教授米哈伊尔·卢金。到2006年年底时，两人领导的研究团队分别证明，他们的想法是正确的。沃切特鲁普说：“钻石表现出了我们以前从来没有看见过的行为。这些瑕疵不仅没有妨碍钻石的光芒，反倒让其色艺俱佳。”这项研究不仅让这两名科学家声名鹊起，也直接导致将钻石用于量子计算这一研究领域如火如荼地发展起来。2005年，只有几个团队在研究钻石应用于量子计算的可能性，现在，大约有75个研究团队在进行相关研究。这块神奇的俄罗斯钻石已经被“大卸八块”，每个研究团队都分了一杯羹。尽管科学家们进行了很多研究，但迄今为止，还没有发现天然钻石能像它一样，因此，他们希望能通过人工方法，来制造出这种钻石。随着加入该领域的科研团队与日俱增，他们也为这种超级纯净的钻石找到了更多更宽泛的用武之地。钻石能用于存储量子信息的这一属性也使它们在感应磁场方面具有不可思议的精确度，科学家们表示，可以借用这一点来实时监视活细胞内的情况。用这种钻石制造出来的微型传感器的灵敏度为传统磁共振成像技术的1020倍，有望为细胞成像，使科学家们能标示出神经细胞内的电活动；并观察到细胞对药物有何反应。沃切特鲁普说：“借助这种钻石，我们或许真的可以解决以前一直无法解决的问题。”精确定制瑕疵钻石爱好者都很熟悉钻石内部的这种瑕疵，因为正是这些瑕疵让钻石拥有非比寻常的色彩：氮会使钻石散发出黄色气韵，而硼则使其表现出蓝色的深邃。但使科学家们深感兴奋的，是被捕获在这种瑕疵内的电子“自旋”。自旋这种量子属性是一种方向：要么向上、向下或处于中间某处，最重要的是这些属性同时出现。这种模糊不清、暧昧不明正是量子力学的迷人之处，也是量子计算的基础单元（量子点，qubit）所必须具备的特征。与传统的计算机位要么是开状态（代表1）、要么是关状态（代表0）不同，量子位必须能同时以多种状态存在，这就使量子计算机能执行并行计算。但诸如自旋这样的量子属性非常精妙，而且很脆弱，外部任何的“风吹草动”都会让其如惊弓之鸟，立刻逃之夭夭。钻石之所以成为量子位的获选对象，是因为其坚固的晶体结构是被捕获电子这种脆弱的量子状态的“保护神”，能帮助其远离随机扰动的影响。尽管如此，这种自旋能被微波所操控，也能用激光器读出。天然钻石通常包含有瑕疵，比例大约为1000个原子中存在一个（瑕疵率为千分之一），这意味着瑕疵太多，无法用它们来存储信息，因为这些瑕疵会紧密地“偎依”在一起，相互干扰，从而使电子无法可靠地让任何给定的自旋状态保持很长时间。而这种神奇的“俄罗斯钻石”则非常纯净，每10亿个碳原子共享大约一个氮原子（瑕疵率为十亿分之一）。早在2005年，沃切特鲁普团队的测试就已经证明，“俄罗斯钻石”内的电子或许能让特定的自旋状态维持1毫秒，而其他能将自旋状态维持如此长时间的系统需要被冷却到接近绝对零度的超冷状态，而且还必须置于真空中。相比较而言，科学家们能在室温下，使用日常的实验设备，改变和阅读钻石内单个电子的自旋状态。美国芝加哥大学的物理学家戴维·艾维萨洛姆说：“这种超级纯净的钻石彻底改变了量子力学的游戏规则。”人造量子等级钻石的制造商们试图获得至少可与“俄罗斯钻石”相媲美的纯净度。与为珠宝或工业切割而制造的钻石不同，这些超纯净的钻石无法通过将一团碳放在高温、高压下生长而获得，而是需要将甲烷和氢气等气体加热到等离子状态，如此一来，碳原子才能被逐层沉积在一块模板上。其实，有些学术实验室自己也能制造出这样的钻石，但这种钻石最大的来源仍然是“六大元素”公司位于英国的实验室。50多年来，“六大元素”公司一直在为各种目的制造各类钻石，最初制造出来的钻石主要用于切割和钻探。随着量子力学的兴起，它们的钻石生意也日渐兴隆。2013年7月份，该公司投资3290万美元，在英国牛津附近创办了一家新实验室，主要任务是研究和制造更好的钻石制造架构，用于其他目的。目前，该公司每年向各大实验室提供数百颗超级纯净的钻石，以供这些实验室用于量子领域的研究。自2007年到现在，其为特殊用途而生产的定制钻石的数量每年都在翻番，已经达到1500颗。这种定制钻石的售价为1000美元/颗，而且，“六大元素”会同研究人员合作，将瑕疵精确地放入碳原子层内并控制其中碳的不同同位素的浓度，因为这种浓度会对钻石的属性产生影响。该公司的研发主管杰弗瑞·斯卡斯布鲁克说：“逐个原子地建造这种钻石让我们能很好地控制其瑕疵程度。”让多个量子位关联是一个巨大的挑战但制造出单个量子位是一件事情，而使用很多相互合作的量子位制造出一台能起作用的量子计算机则是另外一件完全不同的事情，用其他材料进行类似尝试的科学家们对此深有体会。自上世纪90年代中期开始，量子科学家们就慢慢开发出了几套作为备选的量子位系统，其中包括被一个电磁场捕获的离子和超导电路。不过，这些系统必须处于超冷的环境下，才能发挥作用。现在，量子科学家们面临的主要任务不仅包括解决量子位容易受到干扰的问题，也包括想方设法让多个量子位紧密结合在一起，以制造出一个有用的系统。迄今为止，全球最好的多用途量子位能执行一些简单的任务，比如计算数字15的因子等（这是量子系统的一个典型例子，参见《自然》杂志第498期第286页—288页）。荷兰代尔夫特理工大学的纳米科学家罗纳德·汉森表示，在量子的世界里，钻石或许可以一马当先，而且，有些钻石目前已经能让量子位远离干扰足够长的时间，从而便于科学家们做有用的事情。例如，卢金的研究团队在2012年报告称，他们让钻石量子位的持续时间超过1秒，这一量子位的寿命可与由被捕获的原子做量子位获得的寿命相媲美，是使用超导电路获得的量子位寿命的1万倍。为了做到这一点，他的研究团队只把这种被捕获电子的自旋作为信使使用，而使用邻近瑕疵——比如一个氮原子或一个碳-13原子的量子自旋属性来保存信息，与使用电子的自旋相比，这种方法对干扰的灵敏度要低1000倍。当电子没有作为信使时，控制电子的自旋，从理论上来讲，这一策略能将量子位的寿命延长至一分钟。尽管如此，让量子位相互关联（这其中包括它们的状态之间的相互“纠缠”）在一起以便它们能同仇敌忾地执行计算，是一个非常巨大的挑战。沃切特鲁普研究团队的解决办法是，让钻石的瑕疵之间的间隔20为纳米，这样，被捕获的电子就能“依偎”得足够紧密，从而发生纠缠。然而，制造商们很难制造出瑕疵位置如此精准的钻石。而且，这也意味着，如果量子位要想“存活”下去的话，他们需要能精准地控制每个电子的自旋，与对该系统进行升级相比，这一点更难做到。哈森的研究团队想出了另外一个办法。据英国《自然》杂志报道，2013年5月份，他们的研究团队让两块相距3米远的钻石内的信息发生纠缠。这样，测量一个量子比特的状态立刻会让另一个量子比特的状态固定下来，这是实现远距离量子信息交换所必需的步骤。在最新研究中，为了让不同钻石块内的量子比特发生纠缠，研究人员使用激光器来让每个量子比特在10开氏温度下同一个光子发生纠缠。这些光子会通过一条光纤光缆在半路相遇并发生纠缠。2007年，科学家们采用类似的方法首次让镱离子发生了纠缠；而2012年则让中性的铷原子发生了纠缠。该研究的合作者、加拿大麦吉尔大学的物理学家莉莲·柴尔德里斯表示，目前，这种方法的效率还极低——成功率为千万分之一（或每10分钟才成功一次），但并不低于首个捕获原子或离子实验的效率。哈森表示：“尽管在让量子比特互联方面，离子和原子系统比钻石系统更先进，但钻石在将网络中远距离的处理器连接在一起方面独具优势。钻石的高度稳定性可以让以它为芯片的量子计算机在常温下工作，而其他量子系统有时需要温度接近绝对零度。另外，建立固体钻石芯片装配线听起来似乎比制造几百个离子捕获器更可行。”现在，包括哈森、卢金和麻省理工学院的电子工程师德克·英格兰德在内的物理学家们都在试图提高量子位相互纠缠的频率。他们的办法是，在钻石薄片内建造细小的空腔和镜子，这将有助于光子弹来弹去，让它们有更多机会同电子量子位相互作用。哈森认为，这种改进方法或许能使科学家们将发生纠缠所需的时间减少到一秒以内。科学家们正在研究其他更好的方法，有些方法需要厚度不超过几百纳米的钻石薄膜，而这些薄膜则是从更大的钻石块那儿切削而来。沃切特鲁普说：“这真是个折磨人且冗长无聊的活，但得到的却是艺术品。”迄今为止，有两个研究团队分别使用钻石，制造出了最复杂的钻石量子计算系统，其中包含有4个相互纠缠的量子位。沃切特鲁普说，将这一系统升级到包含有10个量子位，需要更多人的齐心协力。不管怎样，实验已经证明，钻石作为量子位用于量子计算是一个切实可行的选择，其最大的优势是能长时间保存信息，而且并不娇贵，在室温下就可进行，也不需要真空。钻石探测器能像小磁铁一样工作研究人员一方面在使用钻石同量子计算进行大作战；另一方面也在绞尽脑汁为钻石寻找其他用途，这些用途已经初现端倪，有望很快开花结果。第一批研究钻石量子属性的研究人员中，有些人意识到，精妙的自旋状态会受到环境的影响，这种方式或许可以找到用武之地。电子的自旋会产生磁矩，这使它们能像对周围的磁场非常敏感的小磁铁一样工作。诸如磁共振成像这样的传感技术正是利用同样的现象——氢原子内固有的自旋来探测人体内的情况。但是，在这些技术中，得到一个信号需要动用数百万个原子。而且，为了获得最大的精确度，机器需要被冷却到极低的温度。而钻石探测器则足够小，能紧密地靠近其目标对象并从单个原子那儿获得一个信号。另外，在室温下，原子的磁场会影响电子的自旋，而这种自旋使用一台激光器就能读取。目前，科学家们正在使用大量的钻石瑕疵来研制比较大一点的传感器，从而用于探测大一点的磁场；与此同时，他们也在小尺度下，进行一些原理性的证明研究，例如，测量5立方纳米大的一滴油的自旋甚至单个分子内的自旋等。2011年，澳大利亚墨尔本大学的劳埃德·霍伦伯格领导的研究团队将纳米钻石放入活细胞内，从而监测和研究细胞内小小的磁性变化。沃切特鲁普说，由钻石制成的探测器最终能做到的事情很多：包括为一个复杂分子（比如一个蛋白）的结构成像，监控大脑内的活动，追踪药物在每个细胞内的一举一动等；而且，这些都是悄无声息地进行，不会给它们正在观察的活系统带来任何影响。卢金的研究团队也使用纳米钻石探测器来阅读细胞内的温度，精确度高几百分之一度，这种钻石探测器的工作原理是监控被捕获电子灵敏的自旋对钻石网格在加热或冷却时的扩展和收缩反应。纳米钻石探测器应该也能探测到几千分之一度的变化，而且，也有望被用来向研究人员告知肿瘤的新陈代谢等生物过程。然而，为微型探测器制造纳米大小的超纯钻石是一个令人头疼的问题：包括“六大元素”公司在内，所有人使用的都是沉积方法，但这种方法制造出的钻石无法同模板分开。因此，现在大多数对纳米钻石探测器进行原则性验证的实验使用的都是相对来说并不那么纯净的钻石，这些钻石通过高温压缩制造而成，其灵敏度当然也就大打折扣。英格兰德团队提出了一种更好的制造方法，位于美国波士顿的钻石纳米技术公司正在对其进行商业化生产，该公司由英格兰德和别人联合创办。他们的制造方法是，在纯净的钻石上描绘金钯点，接着将表面上的点蚀刻掉，制造出一系列镶金的钻石邮票，他们称之为“纳米玻璃”，这种纳米玻璃能被修剪，上面的金也很容易被移出，从而制造出了单个的微型钻石柱。当采用这种方式制造时，与传统的纳米钻石相比，这种方法制造出的钻石的瑕疵内捕获的电子自旋保持时间延长了100多倍。该公司正在使用这些纳米钻石柱建造磁场传感器的模型，这种传感器的灵敏度非常高，使用几个电子就足以探测到磁场。路漫漫其修远兮如果研究人员想让钻石实现他们所有的期望，那么，他们将需对这些产品进行改进，而且，要想精确地掺杂瑕疵并制造出大而纤薄的薄膜以及复杂的钻石结构，仍然有很长的路要走。完成这些特殊的要求对于包括硅在内的很多半导体材料来说不过是小菜一碟，因此，沃切特鲁普的研究团队正在探索是否能在硅等半导体材料内再现钻石独特的属性。他的研究团队在2011年证明，碳化硅（一种相对来说比较廉价的半导体，几十年来一直被科学家们制成大而纤薄的薄膜，用于电子设备中）能够接受瑕疵，而且，瑕疵边缘的电子也展示出了与钻石内电子同样的量子怪癖。但是，这些碳化硅瑕疵缺乏钻石瑕疵量子点的主要优势：迄今为止，在室温下，被捕获在碳化硅的电子自旋状态的维持时间仅为钻石的二十分之一，这一时间太短，在实际生活中作用不大。包括艾维萨洛姆的研究团队在内的几个研究团队试图采用不同的方法来提升碳化硅量子位的寿命，他们的方法包括让该材料的同位素组成更加纯净等。而且，该研究团队也正在同加州大学圣巴巴拉分校的理论学家克里斯·范德-沃勒合作，希望能知道包括氮化镓（发光二极管内使用的材料）在内的哪种晶体材料内的瑕疵能与钻石内瑕疵的属性相匹配。英格兰德说：“这无疑是一个非常有应用前景的新方向。”不管怎样，很多研究人员对钻石情有独钟，因为其拥有的纯净度和可控制的自旋状态，在这些方面，人造钻石也让天然钻石相形见绌。最开始的那块“神奇的俄罗斯钻石”也一直在彰显并证明自己的价值。沃切特鲁普说：“我们还有一些在实验室内，我们会时不时地使用它们，它们仍然是我们所拥有的最好材料之一。”http://tech.ifeng.com/discovery/front/detail_2014_03/16/34811304_0.shtml#_tansuo_wen太深奥了. 贵重物质的科学价值体现 这个故事似乎在告诉人们，钻石不只是女性专属的装饰品！
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