“鉆石恒久遠，一顆永流傳”。

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

       全球生產各種工業用合成鉆石（金剛石）的領導者“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，優異卓越的性能讓很多昂貴的珠寶都想將其據為己有，希望其能為它們錦上添花。除此之外，很多量子科學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，德國斯圖加特大學的物理學家約格·沃切特魯普的主要任務就是找到類似這種鉆石的鉆石，最后，他的研究團隊通過對俄羅斯科學院的相關論文進行逐一篩查，從而發現了它。在篩查中，他們讀到了對這種罕見珠寶的物理學屬性的描述。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部，碳原子組成的規律鉆石網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，可能都會捕獲一個電子。沃切特魯普和其他科學家總結出的理論認為，在某些特定的情況下，這些洞內的電子可能是存儲量子計算信息的完美媒介。科學家們認為，通過探索和利用量子力學世界里各種令人匪夷所思的屬性，量子計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，沃切特魯普的實驗團隊將該鉆石切割開，并將其中的一半送給美國哈佛大學的物理學教授米哈伊爾·盧金。到2006年年底時，兩人領導的研究團隊分別證明，他們的想法是正確的。沃切特魯普說：“鉆石表現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。”

       這項研究不僅讓這兩名科學家聲名鵲起，也直接導致將鉆石用于量子計算這一研究領域如火如荼地發展起來。2005年，只有幾個團隊在研究鉆石應用于量子計算的可能性，現在，大約有75個研究團隊在進行相關研究。這塊神奇的俄羅斯鉆石已經被“大卸八塊”，每個研究團隊都分了一杯羹。盡管科學家們進行了很多研究，但迄今為止，還沒有發現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。

       隨著加入該領域的科研團隊與日俱增，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磁場方面具有不可思議的精確度，科學家們表示，可以借用這一點來實時監視活細胞內的情況。用這種鉆石制造出來的微型傳感器的靈敏度為傳統磁共振成像技術的1020倍，有望為細胞成像，使科學家們能標示出神經細胞內的電活動；并觀察到細胞對藥物有何反應。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部的這種瑕疵，因為正是這些瑕疵讓鉆石擁有非比尋常的色彩：氮會使鉆石散發出黃色氣韻，而硼則使其表現出藍色的深邃。

       但使科學家們深感興奮的，是被捕獲在這種瑕疵內的電子“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。這種模糊不清、曖昧不明正是量子力學的迷人之處，也是量子計算的基礎單元（量子點，qubit）所必須具備的特征。與傳統的計算機位要么是開狀態（代表1）、要么是關狀態（代表0）不同，量子位必須能同時以多種狀態存在，這就使量子計算機能執行并行計算。

       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，是因為其堅固的晶體結構是被捕獲電子這種脆弱的量子狀態的“保護神”，能幫助其遠離隨機擾動的影響。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，因為這些瑕疵會緊密地“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，沃切特魯普團隊的測試就已經證明，“俄羅斯鉆石”內的電子或許能讓特定的自旋狀態維持1毫秒，而其他能將自旋狀態維持如此長時間的系統需要被冷卻到接近絕對零度的超冷狀態，而且還必須置于真空中。相比較而言，科學家們能在室溫下，使用日常的實驗設備，改變和閱讀鉆石內單個電子的自旋狀態。美國芝加哥大學的物理學家戴維·艾維薩洛姆說：“這種超級純凈的鉆石徹底改變了量子力學的游戲規則。”

       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，如此一來，碳原子才能被逐層沉積在一塊模板上。

       其實，有些學術實驗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”公司位于英國的實驗室。

       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，在英國牛津附近創辦了一家新實驗室，主要任務是研究和制造更好的鉆石制造架構，用于其他目的。目前，該公司每年向各大實驗室提供數百顆超級純凈的鉆石，以供這些實驗室用于量子領域的研究。自2007年到現在，其為特殊用途而生產的定制鉆石的數量每年都在翻番，已經達到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并控制其中碳的不同同位素的濃度，因為這種濃度會對鉆石的屬性產生影響。該公司的研發主管杰弗瑞·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。”

       讓多個量子位關聯是一個巨大的挑戰

       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算機則是另外一件完全不同的事情，用其他材料進行類似嘗試的科學家們對此深有體會。

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

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

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

       例如，盧金的研究團隊在2012年報告稱，他們讓鉆石量子位的持續時間超過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，是使用超導電路獲得的量子位壽命的1萬倍。

       為了做到這一點，他的研究團隊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，讓量子位相互關聯（這其中包括它們的狀態之間的相互“糾纏”）在一起以便它們能同仇敵愾地執行計算，是一個非常巨大的挑戰。

       沃切特魯普研究團隊的解決辦法是，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，從而發生糾纏。然而，制造商們很難制造出瑕疵位置如此精準的鉆石。而且，這也意味著，如果量子位要想“存活”下去的話，他們需要能精準地控制每個電子的自旋，與對該系統進行升級相比，這一點更難做到。

       哈森的研究團隊想出了另外一個辦法。據英國《自然》雜志報道，2013年5月份，他們的研究團隊讓兩塊相距3米遠的鉆石內的信息發生糾纏。這樣，測量一個量子比特的狀態立刻會讓另一個量子比特的狀態固定下來，這是實現遠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的量子比特發生糾纏，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生糾纏。這些光子會通過一條光纖光纜在半路相遇并發生糾纏。2007年，科學家們采用類似的方法首次讓鐿離子發生了糾纏；而2012年則讓中性的銣原子發生了糾纏。

       該研究的合作者、加拿大麥吉爾大學的物理學家莉蓮·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驗的效率。

       哈森表示：“盡管在讓量子比特互聯方面，離子和原子系統比鉆石系統更先進，但鉆石在將網絡中遠距離的處理器連接在一起方面獨具優勢。鉆石的高度穩定性可以讓以它為芯片的量子計算機在常溫下工作，而其他量子系統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。”

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

       哈森認為，這種改進方法或許能使科學家們將發生糾纏所需的時間減少到一秒以內。科學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，但得到的卻是藝術品。”

       迄今為止，有兩個研究團隊分別使用鉆石，制造出了最復雜的鉆石量子計算系統，其中包含有4個相互糾纏的量子位。沃切特魯普說，將這一系統升級到包含有10個量子位，需要更多人的齊心協力。不管怎樣，實驗已經證明，鉆石作為量子位用于量子計算是一個切實可行的選擇，其最大的優勢是能長時間保存信息，而且并不嬌貴，在室溫下就可進行，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算進行大作戰；另一方面也在絞盡腦汁為鉆石尋找其他用途，這些用途已經初現端倪，有望很快開花結果。

       第一批研究鉆石量子屬性的研究人員中，有些人意識到，精妙的自旋狀態會受到環境的影響，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正是利用同樣的現象——氫原子內固有的自旋來探測人體內的情況。但是，在這些技術中，得到一個信號需要動用數百萬個原子。而且，為了獲得最大的精確度，機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，科學家們正在使用大量的鉆石瑕疵來研制比較大一點的傳感器，從而用于探測大一點的磁場；與此同時，他們也在小尺度下，進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的自旋等。

       2011年，澳大利亞墨爾本大學的勞埃德·霍倫伯格領導的研究團隊將納米鉆石放入活細胞內，從而監測和研究細胞內小小的磁性變化。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：包括為一個復雜分子（比如一個蛋白）的結構成像，監控大腦內的活動，追蹤藥物在每個細胞內的一舉一動等；而且，這些都是悄無聲息地進行，不會給它們正在觀察的活系統帶來任何影響。

       盧金的研究團隊也使用納米鉆石探測器來閱讀細胞內的溫度，精確度高幾百分之一度，這種鉆石探測器的工作原理是監控被捕獲電子靈敏的自旋對鉆石網格在加熱或冷卻時的擴展和收縮反應。納米鉆石探測器應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，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，現在大多數對納米鉆石探測器進行原則性驗證的實驗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，其靈敏度當然也就大打折扣。

       英格蘭德團隊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公司正在對其進行商業化生產，該公司由英格蘭德和別人聯合創辦。

       他們的制造方法是，在純凈的鉆石上描繪金鈀點，接著將表面上的點蝕刻掉，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。當采用這種方式制造時，與傳統的納米鉆石相比，這種方法制造出的鉆石的瑕疵內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。

       路漫漫其修遠兮

       如果研究人員想讓鉆石實現他們所有的期望，那么，他們將需對這些產品進行改進，而且，要想精確地摻雜瑕疵并制造出大而纖薄的薄膜以及復雜的鉆石結構，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的很多半導體材料來說不過是小菜一碟，因此，沃切特魯普的研究團隊正在探索是否能在硅等半導體材料內再現鉆石獨特的屬性。

       他的研究團隊在2011年證明，碳化硅（一種相對來說比較廉價的半導體，幾十年來一直被科學家們制成大而纖薄的薄膜，用于電子設備中）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的主要優勢：迄今為止，在室溫下，被捕獲在碳化硅的電子自旋狀態的維持時間僅為鉆石的二十分之一，這一時間太短，在實際生活中作用不大。

       包括艾維薩洛姆的研究團隊在內的幾個研究團隊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，該研究團隊也正在同加州大學圣巴巴拉分校的理論學家克里斯·范德-沃勒合作，希望能知道包括氮化鎵（發光二極管內使用的材料）在內的哪種晶體材料內的瑕疵能與鉆石內瑕疵的屬性相匹配。英格蘭德說：“這無疑是一個非常有應用前景的新方向。”

       不管怎樣，很多研究人員對鉆石情有獨鐘，因為其擁有的純凈度和可控制的自旋狀態，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：“我們還有一些在實驗室內，我們會時不時地使用它們，它們仍然是我們所擁有的最好材料之一。”