“鉆石恒久遠(yuǎn)，一顆永流傳”。

       鉆石是妙齡女郎的愛物，現(xiàn)在也“搖身一變”，成為從量子計(jì)算到癌癥診斷等各領(lǐng)域研究人員的“香餑餑”。

       全球生產(chǎn)各種工業(yè)用合成鉆石（金剛石）的領(lǐng)導(dǎo)者“六大元素（Element Six）”公司制造出了超純凈的鉆石，其瑕疵率不到十億分之一。這種被稱為“神奇的俄羅斯鉆石”大小僅為2平方毫米，純凈明潔，優(yōu)異卓越的性能讓很多昂貴的珠寶都想將其據(jù)為己有，希望其能為它們錦上添花。除此之外，很多量子科學(xué)家也都希望能將之納入麾下，為其所用。

       完美的瑕疵讓鉆石“色藝俱佳”

       在2005年的大部分時間里，德國斯圖加特大學(xué)的物理學(xué)家約格·沃切特魯普的主要任務(wù)就是找到類似這種鉆石的鉆石，最后，他的研究團(tuán)隊(duì)通過對俄羅斯科學(xué)院的相關(guān)論文進(jìn)行逐一篩查，從而發(fā)現(xiàn)了它。在篩查中，他們讀到了對這種罕見珠寶的物理學(xué)屬性的描述。不過，讓沃切特魯普深深著迷的并非這種鉆石美麗的外表，而是其深邃的內(nèi)在：這種鉆石非常純凈而且擁有堪稱完美的瑕疵。

       在這種神奇鉆石的內(nèi)部，碳原子組成的規(guī)律鉆石網(wǎng)格中間或會摻雜有一個氮原子，使鄰近的碳原子消失不見。碳原子消失后留下的每個洞內(nèi)，可能都會捕獲一個電子。沃切特魯普和其他科學(xué)家總結(jié)出的理論認(rèn)為，在某些特定的情況下，這些洞內(nèi)的電子可能是存儲量子計(jì)算信息的完美媒介。科學(xué)家們認(rèn)為，通過探索和利用量子力學(xué)世界里各種令人匪夷所思的屬性，量子計(jì)算的速度和能力能得到大幅提高。

       與用來存儲量子信息的其他候選者不同，鉆石內(nèi)的這些瑕疵在室溫下就能工作。為了測試這一想法，沃切特魯普的實(shí)驗(yàn)團(tuán)隊(duì)將該鉆石切割開，并將其中的一半送給美國哈佛大學(xué)的物理學(xué)教授米哈伊爾·盧金。到2006年年底時，兩人領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)分別證明，他們的想法是正確的。沃切特魯普說：“鉆石表現(xiàn)出了我們以前從來沒有看見過的行為。這些瑕疵不僅沒有妨礙鉆石的光芒，反倒讓其色藝俱佳。”

       這項(xiàng)研究不僅讓這兩名科學(xué)家聲名鵲起，也直接導(dǎo)致將鉆石用于量子計(jì)算這一研究領(lǐng)域如火如荼地發(fā)展起來。2005年，只有幾個團(tuán)隊(duì)在研究鉆石應(yīng)用于量子計(jì)算的可能性，現(xiàn)在，大約有75個研究團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行相關(guān)研究。這塊神奇的俄羅斯鉆石已經(jīng)被“大卸八塊”，每個研究團(tuán)隊(duì)都分了一杯羹。盡管科學(xué)家們進(jìn)行了很多研究，但迄今為止，還沒有發(fā)現(xiàn)天然鉆石能像它一樣，因此，他們希望能通過人工方法，來制造出這種鉆石。

       隨著加入該領(lǐng)域的科研團(tuán)隊(duì)與日俱增，他們也為這種超級純凈的鉆石找到了更多更寬泛的用武之地。鉆石能用于存儲量子信息的這一屬性也使它們在感應(yīng)磁場方面具有不可思議的精確度，科學(xué)家們表示，可以借用這一點(diǎn)來實(shí)時監(jiān)視活細(xì)胞內(nèi)的情況。用這種鉆石制造出來的微型傳感器的靈敏度為傳統(tǒng)磁共振成像技術(shù)的1020倍，有望為細(xì)胞成像，使科學(xué)家們能標(biāo)示出神經(jīng)細(xì)胞內(nèi)的電活動；并觀察到細(xì)胞對藥物有何反應(yīng)。沃切特魯普說：“借助這種鉆石，我們或許真的可以解決以前一直無法解決的問題。”

       精確定制瑕疵

       鉆石愛好者都很熟悉鉆石內(nèi)部的這種瑕疵，因?yàn)檎沁@些瑕疵讓鉆石擁有非比尋常的色彩：氮會使鉆石散發(fā)出黃色氣韻，而硼則使其表現(xiàn)出藍(lán)色的深邃。

       但使科學(xué)家們深感興奮的，是被捕獲在這種瑕疵內(nèi)的電子“自旋”。自旋這種量子屬性是一種方向：要么向上、向下或處于中間某處，最重要的是這些屬性同時出現(xiàn)。這種模糊不清、曖昧不明正是量子力學(xué)的迷人之處，也是量子計(jì)算的基礎(chǔ)單元（量子點(diǎn)，qubit）所必須具備的特征。與傳統(tǒng)的計(jì)算機(jī)位要么是開狀態(tài)（代表1）、要么是關(guān)狀態(tài)（代表0）不同，量子位必須能同時以多種狀態(tài)存在，這就使量子計(jì)算機(jī)能執(zhí)行并行計(jì)算。

       但諸如自旋這樣的量子屬性非常精妙，而且很脆弱，外部任何的“風(fēng)吹草動”都會讓其如驚弓之鳥，立刻逃之夭夭。鉆石之所以成為量子位的獲選對象，是因?yàn)槠鋱?jiān)固的晶體結(jié)構(gòu)是被捕獲電子這種脆弱的量子狀態(tài)的“保護(hù)神”，能幫助其遠(yuǎn)離隨機(jī)擾動的影響。盡管如此，這種自旋能被微波所操控，也能用激光器讀出。

       天然鉆石通常包含有瑕疵，比例大約為1000個原子中存在一個（瑕疵率為千分之一），這意味著瑕疵太多，無法用它們來存儲信息，因?yàn)檫@些瑕疵會緊密地“偎依”在一起，相互干擾，從而使電子無法可靠地讓任何給定的自旋狀態(tài)保持很長時間。而這種神奇的“俄羅斯鉆石”則非常純凈，每10億個碳原子共享大約一個氮原子（瑕疵率為十億分之一）。

早在2005年，沃切特魯普團(tuán)隊(duì)的測試就已經(jīng)證明，“俄羅斯鉆石”內(nèi)的電子或許能讓特定的自旋狀態(tài)維持1毫秒，而其他能將自旋狀態(tài)維持如此長時間的系統(tǒng)需要被冷卻到接近絕對零度的超冷狀態(tài)，而且還必須置于真空中。相比較而言，科學(xué)家們能在室溫下，使用日常的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，改變和閱讀鉆石內(nèi)單個電子的自旋狀態(tài)。美國芝加哥大學(xué)的物理學(xué)家戴維·艾維薩洛姆說：“這種超級純凈的鉆石徹底改變了量子力學(xué)的游戲規(guī)則。”

       人造量子等級鉆石的制造商們試圖獲得至少可與“俄羅斯鉆石”相媲美的純凈度。與為珠寶或工業(yè)切割而制造的鉆石不同，這些超純凈的鉆石無法通過將一團(tuán)碳放在高溫、高壓下生長而獲得，而是需要將甲烷和氫氣等氣體加熱到等離子狀態(tài)，如此一來，碳原子才能被逐層沉積在一塊模板上。

       其實(shí)，有些學(xué)術(shù)實(shí)驗(yàn)室自己也能制造出這樣的鉆石，但這種鉆石最大的來源仍然是“六大元素”公司位于英國的實(shí)驗(yàn)室。

       50多年來，“六大元素”公司一直在為各種目的制造各類鉆石，最初制造出來的鉆石主要用于切割和鉆探。隨著量子力學(xué)的興起，它們的鉆石生意也日漸興隆。

       2013年7月份，該公司投資3290萬美元，在英國牛津附近創(chuàng)辦了一家新實(shí)驗(yàn)室，主要任務(wù)是研究和制造更好的鉆石制造架構(gòu)，用于其他目的。目前，該公司每年向各大實(shí)驗(yàn)室提供數(shù)百顆超級純凈的鉆石，以供這些實(shí)驗(yàn)室用于量子領(lǐng)域的研究。自2007年到現(xiàn)在，其為特殊用途而生產(chǎn)的定制鉆石的數(shù)量每年都在翻番，已經(jīng)達(dá)到1500顆。

       這種定制鉆石的售價為1000美元/顆，而且，“六大元素”會同研究人員合作，將瑕疵精確地放入碳原子層內(nèi)并控制其中碳的不同同位素的濃度，因?yàn)檫@種濃度會對鉆石的屬性產(chǎn)生影響。該公司的研發(fā)主管杰弗瑞·斯卡斯布魯克說：“逐個原子地建造這種鉆石讓我們能很好地控制其瑕疵程度。”

       讓多個量子位關(guān)聯(lián)是一個巨大的挑戰(zhàn)

       但制造出單個量子位是一件事情，而使用很多相互合作的量子位制造出一臺能起作用的量子計(jì)算機(jī)則是另外一件完全不同的事情，用其他材料進(jìn)行類似嘗試的科學(xué)家們對此深有體會。

       自上世紀(jì)90年代中期開始，量子科學(xué)家們就慢慢開發(fā)出了幾套作為備選的量子位系統(tǒng)，其中包括被一個電磁場捕獲的離子和超導(dǎo)電路。不過，這些系統(tǒng)必須處于超冷的環(huán)境下，才能發(fā)揮作用。

       現(xiàn)在，量子科學(xué)家們面臨的主要任務(wù)不僅包括解決量子位容易受到干擾的問題，也包括想方設(shè)法讓多個量子位緊密結(jié)合在一起，以制造出一個有用的系統(tǒng)。迄今為止，全球最好的多用途量子位能執(zhí)行一些簡單的任務(wù)，比如計(jì)算數(shù)字15的因子等（這是量子系統(tǒng)的一個典型例子，參見《自然》雜志第498期第286頁—288頁）。

       荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的納米科學(xué)家羅納德·漢森表示，在量子的世界里，鉆石或許可以一馬當(dāng)先，而且，有些鉆石目前已經(jīng)能讓量子位遠(yuǎn)離干擾足夠長的時間，從而便于科學(xué)家們做有用的事情。

       例如，盧金的研究團(tuán)隊(duì)在2012年報(bào)告稱，他們讓鉆石量子位的持續(xù)時間超過1秒，這一量子位的壽命可與由被捕獲的原子做量子位獲得的壽命相媲美，是使用超導(dǎo)電路獲得的量子位壽命的1萬倍。

       為了做到這一點(diǎn)，他的研究團(tuán)隊(duì)只把這種被捕獲電子的自旋作為信使使用，而使用鄰近瑕疵——比如一個氮原子或一個碳-13原子的量子自旋屬性來保存信息，與使用電子的自旋相比，這種方法對干擾的靈敏度要低1000倍。當(dāng)電子沒有作為信使時，控制電子的自旋，從理論上來講，這一策略能將量子位的壽命延長至一分鐘。

       盡管如此，讓量子位相互關(guān)聯(lián)（這其中包括它們的狀態(tài)之間的相互“糾纏”）在一起以便它們能同仇敵愾地執(zhí)行計(jì)算，是一個非常巨大的挑戰(zhàn)。

       沃切特魯普研究團(tuán)隊(duì)的解決辦法是，讓鉆石的瑕疵之間的間隔20為納米，這樣，被捕獲的電子就能“依偎”得足夠緊密，從而發(fā)生糾纏。然而，制造商們很難制造出瑕疵位置如此精準(zhǔn)的鉆石。而且，這也意味著，如果量子位要想“存活”下去的話，他們需要能精準(zhǔn)地控制每個電子的自旋，與對該系統(tǒng)進(jìn)行升級相比，這一點(diǎn)更難做到。

       哈森的研究團(tuán)隊(duì)想出了另外一個辦法。據(jù)英國《自然》雜志報(bào)道，2013年5月份，他們的研究團(tuán)隊(duì)讓兩塊相距3米遠(yuǎn)的鉆石內(nèi)的信息發(fā)生糾纏。這樣，測量一個量子比特的狀態(tài)立刻會讓另一個量子比特的狀態(tài)固定下來，這是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離量子信息交換所必需的步驟。

       在最新研究中，為了讓不同鉆石塊內(nèi)的量子比特發(fā)生糾纏，研究人員使用激光器來讓每個量子比特在10開氏溫度下同一個光子發(fā)生糾纏。這些光子會通過一條光纖光纜在半路相遇并發(fā)生糾纏。2007年，科學(xué)家們采用類似的方法首次讓鐿離子發(fā)生了糾纏；而2012年則讓中性的銣原子發(fā)生了糾纏。

       該研究的合作者、加拿大麥吉爾大學(xué)的物理學(xué)家莉蓮·柴爾德里斯表示，目前，這種方法的效率還極低——成功率為千萬分之一（或每10分鐘才成功一次），但并不低于首個捕獲原子或離子實(shí)驗(yàn)的效率。

       哈森表示：“盡管在讓量子比特互聯(lián)方面，離子和原子系統(tǒng)比鉆石系統(tǒng)更先進(jìn)，但鉆石在將網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)距離的處理器連接在一起方面獨(dú)具優(yōu)勢。鉆石的高度穩(wěn)定性可以讓以它為芯片的量子計(jì)算機(jī)在常溫下工作，而其他量子系統(tǒng)有時需要溫度接近絕對零度。另外，建立固體鉆石芯片裝配線聽起來似乎比制造幾百個離子捕獲器更可行。”

       現(xiàn)在，包括哈森、盧金和麻省理工學(xué)院的電子工程師德克·英格蘭德在內(nèi)的物理學(xué)家們都在試圖提高量子位相互糾纏的頻率。他們的辦法是，在鉆石薄片內(nèi)建造細(xì)小的空腔和鏡子，這將有助于光子彈來彈去，讓它們有更多機(jī)會同電子量子位相互作用。

       哈森認(rèn)為，這種改進(jìn)方法或許能使科學(xué)家們將發(fā)生糾纏所需的時間減少到一秒以內(nèi)。科學(xué)家們正在研究其他更好的方法，有些方法需要厚度不超過幾百納米的鉆石薄膜，而這些薄膜則是從更大的鉆石塊那兒切削而來。沃切特魯普說：“這真是個折磨人且冗長無聊的活，但得到的卻是藝術(shù)品。”

       迄今為止，有兩個研究團(tuán)隊(duì)分別使用鉆石，制造出了最復(fù)雜的鉆石量子計(jì)算系統(tǒng)，其中包含有4個相互糾纏的量子位。沃切特魯普說，將這一系統(tǒng)升級到包含有10個量子位，需要更多人的齊心協(xié)力。不管怎樣，實(shí)驗(yàn)已經(jīng)證明，鉆石作為量子位用于量子計(jì)算是一個切實(shí)可行的選擇，其最大的優(yōu)勢是能長時間保存信息，而且并不嬌貴，在室溫下就可進(jìn)行，也不需要真空。

       鉆石探測器能像小磁鐵一樣工作

       研究人員一方面在使用鉆石同量子計(jì)算進(jìn)行大作戰(zhàn)；另一方面也在絞盡腦汁為鉆石尋找其他用途，這些用途已經(jīng)初現(xiàn)端倪，有望很快開花結(jié)果。

       第一批研究鉆石量子屬性的研究人員中，有些人意識到，精妙的自旋狀態(tài)會受到環(huán)境的影響，這種方式或許可以找到用武之地。電子的自旋會產(chǎn)生磁矩，這使它們能像對周圍的磁場非常敏感的小磁鐵一樣工作。

       諸如磁共振成像這樣的傳感技術(shù)正是利用同樣的現(xiàn)象——氫原子內(nèi)固有的自旋來探測人體內(nèi)的情況。但是，在這些技術(shù)中，得到一個信號需要動用數(shù)百萬個原子。而且，為了獲得最大的精確度，機(jī)器需要被冷卻到極低的溫度。而鉆石探測器則足夠小，能緊密地靠近其目標(biāo)對象并從單個原子那兒獲得一個信號。另外，在室溫下，原子的磁場會影響電子的自旋，而這種自旋使用一臺激光器就能讀取。

       目前，科學(xué)家們正在使用大量的鉆石瑕疵來研制比較大一點(diǎn)的傳感器，從而用于探測大一點(diǎn)的磁場；與此同時，他們也在小尺度下，進(jìn)行一些原理性的證明研究，例如，測量5立方納米大的一滴油的自旋甚至單個分子內(nèi)的自旋等。

       2011年，澳大利亞墨爾本大學(xué)的勞埃德·霍倫伯格領(lǐng)導(dǎo)的研究團(tuán)隊(duì)將納米鉆石放入活細(xì)胞內(nèi)，從而監(jiān)測和研究細(xì)胞內(nèi)小小的磁性變化。沃切特魯普說，由鉆石制成的探測器最終能做到的事情很多：包括為一個復(fù)雜分子（比如一個蛋白）的結(jié)構(gòu)成像，監(jiān)控大腦內(nèi)的活動，追蹤藥物在每個細(xì)胞內(nèi)的一舉一動等；而且，這些都是悄無聲息地進(jìn)行，不會給它們正在觀察的活系統(tǒng)帶來任何影響。

       盧金的研究團(tuán)隊(duì)也使用納米鉆石探測器來閱讀細(xì)胞內(nèi)的溫度，精確度高幾百分之一度，這種鉆石探測器的工作原理是監(jiān)控被捕獲電子靈敏的自旋對鉆石網(wǎng)格在加熱或冷卻時的擴(kuò)展和收縮反應(yīng)。納米鉆石探測器應(yīng)該也能探測到幾千分之一度的變化，而且，也有望被用來向研究人員告知腫瘤的新陳代謝等生物過程。

       然而，為微型探測器制造納米大小的超純鉆石是一個令人頭疼的問題：包括“六大元素”公司在內(nèi)，所有人使用的都是沉積方法，但這種方法制造出的鉆石無法同模板分開。因此，現(xiàn)在大多數(shù)對納米鉆石探測器進(jìn)行原則性驗(yàn)證的實(shí)驗(yàn)使用的都是相對來說并不那么純凈的鉆石，這些鉆石通過高溫壓縮制造而成，其靈敏度當(dāng)然也就大打折扣。

       英格蘭德團(tuán)隊(duì)提出了一種更好的制造方法，位于美國波士頓的鉆石納米技術(shù)公司正在對其進(jìn)行商業(yè)化生產(chǎn)，該公司由英格蘭德和別人聯(lián)合創(chuàng)辦。

       他們的制造方法是，在純凈的鉆石上描繪金鈀點(diǎn)，接著將表面上的點(diǎn)蝕刻掉，制造出一系列鑲金的鉆石郵票，他們稱之為“納米玻璃”，這種納米玻璃能被修剪，上面的金也很容易被移出，從而制造出了單個的微型鉆石柱。當(dāng)采用這種方式制造時，與傳統(tǒng)的納米鉆石相比，這種方法制造出的鉆石的瑕疵內(nèi)捕獲的電子自旋保持時間延長了100多倍。該公司正在使用這些納米鉆石柱建造磁場傳感器的模型，這種傳感器的靈敏度非常高，使用幾個電子就足以探測到磁場。

       路漫漫其修遠(yuǎn)兮

       如果研究人員想讓鉆石實(shí)現(xiàn)他們所有的期望，那么，他們將需對這些產(chǎn)品進(jìn)行改進(jìn)，而且，要想精確地?fù)诫s瑕疵并制造出大而纖薄的薄膜以及復(fù)雜的鉆石結(jié)構(gòu)，仍然有很長的路要走。

       完成這些特殊的要求對于包括硅在內(nèi)的很多半導(dǎo)體材料來說不過是小菜一碟，因此，沃切特魯普的研究團(tuán)隊(duì)正在探索是否能在硅等半導(dǎo)體材料內(nèi)再現(xiàn)鉆石獨(dú)特的屬性。

       他的研究團(tuán)隊(duì)在2011年證明，碳化硅（一種相對來說比較廉價的半導(dǎo)體，幾十年來一直被科學(xué)家們制成大而纖薄的薄膜，用于電子設(shè)備中）能夠接受瑕疵，而且，瑕疵邊緣的電子也展示出了與鉆石內(nèi)電子同樣的量子怪癖。但是，這些碳化硅瑕疵缺乏鉆石瑕疵量子點(diǎn)的主要優(yōu)勢：迄今為止，在室溫下，被捕獲在碳化硅的電子自旋狀態(tài)的維持時間僅為鉆石的二十分之一，這一時間太短，在實(shí)際生活中作用不大。

       包括艾維薩洛姆的研究團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的幾個研究團(tuán)隊(duì)試圖采用不同的方法來提升碳化硅量子位的壽命，他們的方法包括讓該材料的同位素組成更加純凈等。而且，該研究團(tuán)隊(duì)也正在同加州大學(xué)圣巴巴拉分校的理論學(xué)家克里斯·范德-沃勒合作，希望能知道包括氮化鎵（發(fā)光二極管內(nèi)使用的材料）在內(nèi)的哪種晶體材料內(nèi)的瑕疵能與鉆石內(nèi)瑕疵的屬性相匹配。英格蘭德說：“這無疑是一個非常有應(yīng)用前景的新方向。”

       不管怎樣，很多研究人員對鉆石情有獨(dú)鐘，因?yàn)槠鋼碛械募儍舳群涂煽刂频淖孕隣顟B(tài)，在這些方面，人造鉆石也讓天然鉆石相形見絀。最開始的那塊“神奇的俄羅斯鉆石”也一直在彰顯并證明自己的價值。沃切特魯普說：“我們還有一些在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，我們會時不時地使用它們，它們?nèi)匀皇俏覀兯鶕碛械淖詈貌牧现弧?rdquo;