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    科学现场调查:钻石存储量子信息

    俄罗斯之钻

    这颗只有2毫米见方、纯净透明的钻石,就是一些研究人员口中的“神奇的俄罗斯之钻”(magic Russian diamond)。以它的品质,珠宝商会非常乐意用来制造昂贵的钻戒。

    德国斯图加特大学的物理学家约尔格·拉赫图普花了很长时间寻找这样的钻石。但吸引他的并不是它的美丽,而是因为这颗钻石不仅纯净,还具有恰到好处的缺陷。

    理想情况下,钻石中的碳原子会有规律地排列成晶格结构,但在这颗“俄罗斯之钻”里,晶格结构并不规则,极少数碳原子被氮原子取代,与其相邻的一个碳原子也已缺失。每一个这样的“空位”,能束缚一个额外的电子(参见“有用的缺陷”)。

    这种晶格缺陷本身并没有什么特别,但在特定情况下,这些空位中的电子可以用作量子计算中存储信息的完美载体。并且与其他候选材料不同的是,它在室温下就能工作。

    “俄罗斯之钻”证明了上述理论的正确性,该领域的相关研究迎来了大爆发。目前“俄罗斯之钻”被切割成小粒,分配给75个研究组使用。科学家却没能发现任何能与“俄罗斯之钻”媲美的天然钻石。所以,研究人员将注意力转向了人工合成。

    人们对“俄罗斯之钻”潜在应用的设想也越来越广。钻石适用于储存量子信息的特性,也可以让它们成为能以不可思议的精度探测磁场的理想器件,用以实时监测活细胞中的各种生化过程。这种微小的传感器能以极高的灵敏度——比传统的磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)高100亿亿倍,生成细胞尺度的影像。借此,研究人员就能绘制出神经元的电活动图,或者观察细胞对某一种药物的反应。

    钻石与量子计算机

    钻石中常常含有杂质,杂质能赋予它奇异的色彩:例如含有氮杂质的钻石呈黄色,含有硼杂质则发蓝。

    让物理学家兴奋的则是,束缚在这类杂质中的电子的“自旋”方向,会因量子特性同时处于向上、向下或二者之间的某种状态。这种不确定性正是量子计算所需的基本单元,称作量子比特。

    与传统计算机只能代表“开”或“关”中一种状态的比特不同,量子比特必须具有同时处于多重状态的能力,才能让计算机执行并行运算。然而,这种量子特性十分脆弱,很容易受到外界干扰。钻石是实现量子比特的极佳候选材料,其坚固的晶体结构能起到隔离作用,保护被束缚电子的量子态不受随机扰动的影响;同时,自旋又能通过微波来调节,并用激光来读取。

    天然钻石的缺陷数量大约为每1000个原子中会有一个杂质原子——对于用来存储信息的介质来说,这个比例太高了。缺陷彼此太过接近,会造成相互干扰,这意味着电子无法长时间稳定地保持某个特定自旋态。

    相比之下,“俄罗斯之钻”的杂质比例为每十亿个碳原子中不到一个氮原子。“俄罗斯之钻”里的原子能保持给定的自旋态近1毫秒之久,在所有其他方法中,能将一个自旋态保持这么久的只有一个,就是将原子在高真空状态下冷却到接近绝对零度。钻石让科学家在室温下,使用普通的实验设备就能改变并读取单原子的量子态。

    人工制造“缺陷”钻石

    现在,有人工钻石制造公司可以与科学家合作,科学家将缺陷精确注入特定层面,还可以控制不同碳同位素的含量,这些都会影响钻石的性质。“因为生产方式是一个原子一个原子的‘生长’,所以能够控制杂质的数量”。

    制作一个单独的量子比特是一回事,攒出一部可运行的、有多个量子比特协调工作的量子计算机则完全是另外一回事。从上世纪90年代中期开始,若干被认为能实现量子比特的候选系统相继出现,例如被电磁场和超导电路束缚的离子(它们都必须处于超低温下)。科学家仍在试图解决外界干扰问题,以及如何将多个量子比特连结起来,组成可用的系统。到目前为止,世界上最好的通用型量子“计算机”也还只是很初级的形态——仅仅由十几个量子比特构成,能够执行一些非常简单的运算任务,例如将15分解因数之类。

    不过,钻石还是表现出了巨大的潜力。一些钻石能够在足够长的时间内保护量子比特不受外界干扰,从而应用于量子系统。例如,有研究组曾称成功将一个量子比特维持了超过一秒的时间,这比用超导电路维持的时间长10 000倍。

    如何连接量子比特?

    即便如此,将量子比特连结起来,并“纠缠”在一起工作完成运算仍是一个更大的挑战。拉赫图普的想法是,将钻石晶格阵列中的缺陷间距定为20纳米,被束缚电子间的距离很近就可以产生纠缠。要生产出这种缺陷排列如此精密的钻石,对生产商来说却是一个难题;这种距离还意味着,必须精确控制每个电子的自旋,才能保证量子态不会消失,而随着系统规模变大,这将更加难以实现。

    为此,去年,有研究小组称利用光子作为飞行媒介,成功地连结了相隔达3米的钻石量子比特。光子不仅与电子自旋相纠缠,彼此之间也相互纠缠。对于远距离交换信息的量子网络来说,这种方法尤其适用。不过,要让此方法真正实用,量子比特的纠缠时间必须要比自身的寿命短许多,这意味着一秒钟内得发生许多次纠缠。而目前为止需要10分钟才能制造出一次纠缠。

    物理学家们试图在钻石薄片中制备微小空腔和镜面,让光子四处反弹来提升纠缠发生率。

    到目前为止,由钻石制成的最复杂的量子计算系统仅包含4个纠缠量子比特,要想将纠缠量子比特的数量提升到十个以上,还需要付出巨大的努力。但钻石仍是实现量子计算的一个可行选项,因为它具备一条最吸引人的性质:不需要真空环境,在室温下就能将量子信息保存较长时间。

    纳米钻石探头

    研究人员还在为实现量子计算而奋战的同时,将钻石应用于其他方面的研究,却可能更快地收获成果。

    一部分首批探索钻石量子特性的研究人员已经意识到,自旋态的脆弱性并不一定是坏事,周围环境对自旋态的影响方式也可以得到很好地利用。电子的自旋具有一个磁矩,这让它们的行为类似微小的条形磁体,对附近的磁场十分灵敏。

    正是利用氢原子固有自旋类似现象,一些传感技术(例如MRI)可以用来探查人体内部。但是,这类技术需要数百万个原子才能获得一幅图像。此外,为了获得最佳精确度,磁共振成像设备需要被冷却到非常低的温度。相较之下,钻石探测头可以足够小,能放置在非常接近探测目标的地方,而且由于单个原子磁场就可以影响电子自旋,而后者利用激光就可以读取,因此在室温下就能读取来自单原子的信号。

    利用大量钻石缺陷来检测相对较大的磁场,这样的探测器已经处于研发阶段。2011年,一个研究组将纳米级的钻石颗粒植入活细胞,让科学家可以研究细胞中微小的磁场变化。

    钻石探头最终应该能够将复杂分子结构(如蛋白质)成像,从而用于监测大脑活动或追踪细胞中的药物作用,而且所有这些测量都不会对活体系统造成影响。

    纳米级的钻石探头还可用来测量细胞内部的温度,精确程度可以达到百分之几摄氏度。测量原理是:钻石晶格会随着温度的升降发生扩张或收缩,而被束缚电子的自旋状态对晶格变化非常敏感,通过监测电子的自旋状态就可以精确确定温度。

    钻石替代品

    如果想把钻石的所有潜能都“榨”出来,研究人员需要将进一步提升钻石的产能。但是,要想以完美的精度掺杂缺陷,以及制备大尺寸钻石薄片和复杂的钻石结构,还有很长的路要走。

    而对许多半导体材料(包括硅)来说,很容易就能满足以上这些特殊要求。

    研究小组正在探索,是否有可能让这类材料展现出那些似乎是钻石独有的性质。2011年研究显示碳化硅(一种相对便宜的半导体材料,数十年前就可以制成较大的薄片,用于电子产品)也可以产生钻石中的那种缺陷,在这些缺陷中,电子展现出的量子特性就像在钻石中一样。碳化硅量子比特已经制造出来,但缺少钻石量子比特的一个主要优点:室温下的碳化硅中,被束缚电子的自旋态的寿命,还不及钻石里的1/20。

    对大多数研究人员来说,钻石仍然是首选材料。由于它们极高的纯净度和可控的自旋态,人造钻石现在比任何天然钻石都更加耀眼。

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    科学现场调查

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