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盘点捉摸不定的技术革命 量子纳米成未来热点

http://www.kexue.com 2014-03-10 09:08:04 自然与科学杂志  发表评论


爱因斯坦至死恪守着决定论观念,认为物体不只在被观察的时候才遵守决定论,而是在任何时候都遵守决定论

  量子力学理论导致了许多伟大的发明,包括激光、晶体管、集成电路,几乎整个电子领域都少不了它。如果量子力学理论忽然失灵了,那么现代化的仪器设备将无法运作,整个世界将陷入瘫痪。量子力学的方程式可以帮助工程师设计微小的开关,以决定电流的流向,进而控制电脑、数码相机以及电话。现今所有的信息产业设备都以量子力学为基础,它们为什么能够正常运作?因为量子力学是正确的,虽然量子是捉摸不定的。如果没有量子力学,我们就会回到19世纪,回到蒸汽机和电报的时代。

  激光技术

  激光是“由辐射的受激发射引致的光放大”的缩写,它是一种民用和军事应用非常广泛的技术。但是它的应用却经历了一个由理论到实践的漫长过程。1906年,爱因斯坦利用波耳氢原子理论预言光子的受激发射,可以导致一种链式反应的方式放大光束,但是从理论到应用几乎经历了近60年时间。

  1954年4月初,第一台微波激射器诞生了,这是美国物理学家汤斯发明的。微波激射器成功之后,汤斯又决定制作可见光激射器——激光。1960年美国物理学家迈曼制作出第一个可以使用的激光器,这种激光器直到今天还在广泛使用。

  美籍华裔物理学家朱棣文和法国的克劳德·科昂-唐努日以及美国的威廉·菲利普斯三人利用激光冷却和捕陷方法,可以让原子冷却不动而被囚。他们三人也因此共享1997年度的诺贝尔物理学奖。

  超导和超流

  超导在1911年就由荷兰物理学家昂萨格发现,但是直到1957年才由三位美国物理学家巴丁、库珀和斯里弗用量子力学理论做出正确的解释。这一理论用他们三人姓的第一个字母,称之为BCS理论。然而在1986年出现高温超导以后,用BCS理论无法解释高温超导体的各种性质,因此物理学家还需要进一步努力探索,才能全面解决超导理论。

  1940年,苏联物理学家卡皮查发现了超流现象。例如,在超导状态时的液体可以反抗重力往上流动,因此可以从容器内部沿器壁内部爬到顶端越过器壁到容器外边,这被称为“爬壁”现象。与“爬壁”类似的是氦还有“喷泉”效应,即在氦中插入一根细玻璃管,氦在管内液面会比外面高,当玻璃管足够细时,氦可以由细管里喷出,像公园的喷泉一样。1940年,苏联物理学家朗道利用量子力学理论,解释了超流产生的原因。他们两位也因为这一贡献,先后获得诺贝尔物理学奖。

  量子隧道效应和种种技术上的利用

  量子力学里有一个被实验证实的“隧道效应”,即粒子可以穿过经典物理看来不可逾越的势垒,到达势垒外面。隧道效应最惊人的技术应用就是扫描隧道显微镜,它的发展同其他许多科学技术突破一样,是天才和勤奋、资本与运气的共同产物。1982年,瑞士的罗雷尔和德国的宾尼希利用扫描隧道显微镜(STM),能够扫描小到原子尺度的一些结构,解决了一个困扰了科学界很长时间的难题——硅表面原子排列方式。后来,IBM研究中心的一个研究小组,利用STM这种移动原子的能力,把原子排列成了“IBM”的字样。

  1985年,宾尼希与同事们一起研制了一种新的扫描探测显微镜——原子力显微镜(AFM)。AFM现在已经成了一种表面分析的标准仪器,是STM的重要补充。

  普利西娜小姐

  利用激光冷却技术可以使得原子或者其他将要研究的粒子在空中飞行的时候“冷冻”住,然后设下激光陷阱把原子或粒子捕捉住,并使它们固定在空间某个地方“囚禁”起来。1990年2月,西雅图华盛顿大学的德默尔特成功地捕捉到一个正电子,并将它完好地保存达3个月之久。他把这个囚禁起来的正电子称为“普利西娜小姐”。这是前所未有的巨大技术成就,因为我们知道正、反粒子相遇,会立即发生湮灭,化为一缕青烟转变成光子,消失得无影无踪。

  纳米技术

  纳米是一个长度单位。1纳米是百万分之一毫米,即1毫微米,或10-9米。1纳米约有45个原子串起来那么长。形象一点说,把1纳米长的物体放在足球上,就好比把一个足球放在地球上一样。所以我们用肉眼看不见几纳米长的物质。

  当物质尺寸小到纳米级时,会出现许多人们意料不到的奇异特性,很多在宏观和微观的物理规律不再适用。例如,电学里的欧姆定律就不适用于纳米材料;过去常常用来描述原子集体行为的概念也不再适用。这类奇异的特性还很多。到纳米级时,物质的光学性质(超微颗粒都呈黑色)、热学性质(熔点降低)、磁学性质(矫顽力增加)以及力学性质(韧性增加)等等都与宏观状态的不同,千奇百怪,让人眼花缭乱。还有量子力学中的尺寸效应和隧道效应,也都改变着纳米材料的性质,为实际技术应用带来了广泛的可能性。纳米狂飙将横扫传统经济的各个行业,让它们爆发出巨大的能量。

  研究表明,适宜的纳米材料(如碳原子构成的小管子)可以制造出防护性能更好的装甲、更轻的武器和不被雷达发现的涂料。还有,“智能灰尘”“武装苍蝇”的研究,已经不是秘密,这些新型武器能使敌对方防不胜防。一旦把智能灰尘撒到敌方,其传感器就能神不知鬼不觉地执行侦察任务。

  总之,纳米材料的应用范围没有限制,会引起各行各业革命性转变。正因为如此,各国政府都在高度关注和积极从事这方面的研究和开发。

  量子计算机

  量子力学中模糊的不确定性还有很多其他的用武之地。美国麻省理工学院(MIT)的赛斯·罗伊德(Seth Lloyd)就是众多想要开发量子力学新用途的科学家之一,他说,“量子力学十分诡异,但它就是这样。生活给我们的是个怪现象,我们是否可以研究出怪用途呢?”罗伊德所谓的怪用途,是指量子计算机。

  科学家正在研制的量子计算机内部是个金铜质装置,这也许和你家的笔记本电脑不太一样,但是它们用的是同一种语言,即“二进位码”。电脑语言是由0与1所组成的,称为“位元”(bit),也就是说最小的信息单位是位元。电脑所做的事情就是把信息打碎成最小的位元单位,然后再进行快速计算。量子计算机也是以位元为单位来处理数据的,但是与传统的位元不同,传统的位元只能是0或1,量子位元则更有弹性。物体的位置能表示为一个位元,而如果可以做到同时处于不同位置的话,我们就得到了一个量子位元(quantum bit)。

  就如电子自旋可以是顺时针与逆时针的混合体,量子位元也是一种混合体,能既是0又是1,所以量子位元可以“多功处理”,即同时进行多项处理,这样就能够以超乎人类大脑所想象的方式进行计算。理论上,量子位元可以由任何一种以量子形式存在的物质组成,比如电子或原子。量子计算机的核心部分是小型的超导线圈,由纳米科技打造,可以同时双向运作。

  既然量子位元十分擅长多工处理,如果可以做到让量子位元协同计算的话,电脑的运算速度将会有指数级增长。举个例子说明一下量子计算机的强大之处,想象你被困在了一个篱笆迷宫里,你想要尽快找到出口。问题是,可以走的路太多了,而你却只能一次试一条路,这就意味着要走很多死胡同,碰好多次墙,转错好多个弯,直到你终于幸运地找到了出口。这就是现今所有电脑解决问题的方式,虽然它们的运算速度的确很快,但一次只能执行一个任务,就像你一次只能走迷宫中的一条路一样。而如果你可以同时尝试所有路径,那么情况就不同了。简单来说,量子计算机就是这么运作的,因为粒子可以同时处于多个位置,电脑就可以同时分析处理大量的路线与解法,并在短时间内找到答案。

  传统电脑的运算速度已经够快,但是想象一下拥有千万上亿种可能性的问题,比如预报天气、地震、飓风等等的自然灾害,目前想做到这一点几乎是不可能的,因为这会极大地增加电脑的体积。而一台量子计算机可以只动用数百个原子就能解决问题,所以量子计算机的核心将会比一粒沙子还要小。

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