科学家争相进行量子研究

【美国《商业周刊》７月１日一期文章】题：未开发的科学新领域——纳米技术量子世界不可思议
２０世纪最著名的物理学家之一尼尔斯·波尔说过：“不对量子理论感到震惊的人不懂量子理论。”量子世界由原子、电子和其他非常微小的物质组成，其中有些概念在现实世界是不可思议的。少量物质在同一时间可以存在于不止一个地方。电子可穿过似乎不可穿透的墙壁。还有一些人说，量子理论认为有存在多个并列宇宙的可能。量子效应影响深远
所有这些奇怪的量子行为以前只是理论物理学家们关心的事，但现在却对电子工业有着重要意义。半导体的体积现在已小到了极点，如果再小下去，单个原子和电子的行为不久将开始成为紧要问题。量子效应将开始发挥作用，改变所有的规则。除非芯片制造商学会利用量子物理学，否则，计算机的功能以及依靠芯片的所有其他装置的发展都将突然终止。
２０１０年左右，蚀刻在半导体上的线条的宽度将窄到１／１０微米以下。在这些电路中穿行的将只有少数几个电子，因此增加一个或者减少一个电子都会造成很大差异——这就明确地把芯片制造商放到了量子世界中。
这就是为什么世界各地的科学家都争相探索威斯康星大学材料科学家马克斯·拉加利所说的“固体物理学最后一个未开发的辽阔领域”的原因。拉加利和其他一些人已制造了一些可容纳单个电子、被称为“量子点”的微小结构。这些“量子点”非常小，一个针尖上可以容纳几十亿个。研究人员已用量子点制造可由单个电子的运动控制开闭状态的晶体管。他们还设计了量子点的一些巧妙的排列，这些排列可能用作微小而功能强大的计算机的“心脏”。耶鲁大学的电气工程师马克·里德说：“这个领域正在飞速发展，很多有益的工作正在进行。”开发研究如火如荼
这类研究工作的主要目标是控制非常小的电子群的运动而不与怪异的量子效应冲突，量子点可能实现这个目标。这些量子点由直径小于２０纳米的一堆堆物质构成，或者约相当于６０个硅原子排成一串的长度。如果一堆物质是由有着适当性质的原子构成的，它就能把一个自由电子变成一只关在笼中的“金丝雀”。除非外界能量施加一个大小很精确的推力，否则这个电子就无法逃逸出去。
这种“量子约束”产生了一些有趣的现象。它使制造已用于很多光盘播放机中的小而高效的激光器成为可能，这些所谓的量子阱激光器是由两层其他材料夹着一层超薄的半导体材料制成的。处在中间的电子被圈在一个量子平原上，只能够在两维空间中移动。这使得为产生激光而向这些电子注入能量变得容易一些。其结果是：用较少的能量可产生较多的激光。
贝尔实验室的研究人员洛伦·普法伊费尔正在对量子做更深入的研究。他把量子平原减少一维，制造以所谓的量子线为基础的激光器。在其内部，电子只能在一个方向移动。量子线激光器能够以超过量子阱激光器实际极限的功率发射激光。普法伊费尔说：“这可能证明对通信有极大的好处。”这些较高功率的激光器也许会减少对昂贵的中继器的需求，这些中继器需要每隔５０英里在通信线路上安装一个，以再次产生激光脉冲，因为脉冲在光纤中传播时强度会减弱。
科学家们希望用量子点方法代替量子线方法能获得更大的收获，但是研究人员已制成的量子点激光器却不尽如人意。原因是多方面的，包括制造这些大小几乎完全相同的电子群有困难。
大多数量子装置要在极低的温度条件下工作。甚至最微小的热量也会使电子变得难以控制，并且陷入量子效应的困境。但是，通过改变材料以使量子点能够更牢地约束它们的电子，日本电子技术实验所的松本和斯坦福大学的詹姆斯·哈里斯等少数几位电气工程师最近已制成可在室温条件下工作的单电子晶体管。
很多问题仍然有待解决。开关速度可能不快，而且偶然的电能很容易使单个电子脱离预定的路线。因此，大多数科学家正在努力研制全新的方法，而不是试图仿照目前的计算机设计量子装置。
不管事实将证明哪种技术是制造量子芯片的最好方法，还有好几年艰辛的工程设计工作摆在前面。惠普公司新量子效应实验室负责人斯坦利·威廉斯说：“要实现量子计算还很遥远，现在它还只是让人潜心研究的有趣问题。”但是，研究人员预计，有朝一日数以十亿计的量子点可能会堆在平常传统的硅板上。这有望成为一台针尖上的超级计算机，这一前景使这些奇异的结构成为量子研究领域最热门的课题。