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第二节 量子感知的世界（第2页）

科学家们发现，就像温度变化会使水以不同形态存在一样，自旋之间交互作用的强度也会发生变化，形成“万花筒”似的多样状态。其中一种状态被证明为无序的量子自旋**，当J2为J1值的21%到36%之间时，“挫败”诱导自旋进入无序状态，整个样本同时存在着数百万种量子状态。

参与研究的科学家加里塔斯基表示，很难想象一个微小的二维物质能同时以如此多状态存在，人们应把自旋看成像粒子一样自由运转的实体，即自旋振子，其会结合在一起，就像水分子结合成液态水一样，因此得名量子自旋**。而且，其与金属内部发生的情况类似，在金属内部，大多数原子的外层电子会离开其“宿主”原子，在金属内漂移，好像它们组成了**（费密**）。这些现象也许能支持某些奇异的超导性或将一些像粒子一样拥有电荷的实体组织起来。

最近，科学家又在量子自旋**中发现隐藏秩序。这种没有传统磁力的隐藏磁性“量子秩序”是科学家在研究一条100个原子场的陶瓷原子链时发现的，科学家们对一种陶瓷材料进行研究，这种材料是一个个以镍为中心的氧八面体首尾相连的链式结构。这种链并不是普通的磁子，而是奇异的量子自旋**，其中的电子自旋即使在很低的温度下其方向也是随机的。通过使用中子来对这些磁性激子成像并测量其传播的距离，科学家们发现尽管经典上无序，但磁性激子都能够在低温下穿过整个原子链。他们还发现可以通过引入缺陷或者加热来限制这种量子相干或者使之完全消失。

而来自瑞典的科学家通过实验证实，磁纳米接触可使自旋波“繁殖”。

观察结果与十年前科学家提出的“磁性纳米接触会让纳米尺度的自旋波繁殖”这一理论吻合。在研究中，科学家们制造出直径约为40纳米的纳米接触，自旋波被造于3纳米厚的一薄层镍铁合金内，模拟显示，磁性纳米接触会让自旋波像水波一样扩展。

近藤效应是电子与其周围电子发生非常复杂的纠缠引起的，目前的研究方法只能测量到近藤状态，无法获知电子是如何与其周围环境发生纠缠的。

据美国科学促进会网站报道，2011年6月30日发表在《自然》上的文章揭示了近藤效应状态下单个电子是如何与其周围环境产生纠缠态的。由来自美国、德国和瑞士的科学家组成的研究团队利用激光散射技术探测到近藤状态下的电子活动。根据激光散射过的电子不同状态，他们推测出电子能通过吸收不同颜色的激光来改变温度，反射回来的激光能够携带量子纠缠态的特征，从而可以观察到电子与其周围环境之间的关系。科研人员利用纳米结构的设备将电子捕捉在小凹槽里，从而将单个电子分离出来。但是凹槽中的电子只能保持有限的隔离，最终还是会跟周围的大量电子纠缠在一起。

弗吉尼亚联邦大学的物理学教授施夫·汉纳领导的团队发现了新型“超原子”。种性能稳定的新型“超原子”，是由1个铁原子和8个镁原子集结而成的原子簇，具有令人不可思议的磁性，兼具电性和磁性。科学家发现当原子簇拥有8个镁原子时，其充满电子的壳层与未填满的壳层几乎完全分离，从而获得非凡的稳定性。当一个原子的最外层被填满并且与未填满的壳层分开时，该原子处于一种稳定的状态，惰性气体的原子就是如此。新的超原子还会优先使朝特定方向自旋的电子遍及整个原子簇这种兼具磁性和导电性的超原子将在分子电子设备领域大展拳脚。

一般两多朵云相遇，会互相弥散彼此透过，但美国麻省理工学院物理学家却造出了一种奇怪的超冷气互斥云，即使将其密度降低到只有空气的百万分之一，它们在相遇时也能像两个保龄球一样彼此弹开，这是科学家首次观察到气体之间无法互相透过的现象。此次研究人员在实验室里造出的云是一种冷却到接近绝对零度的锂原子气体，用来代替电子，锂同位素也是一种费米子，用来模拟强相互作用系统模型。研究人员用磁场调整锂原子的能量态，让原子之间产生自然状态的强度相互作用，即每次它们相遇，就会散射开。气体被冷却到500亿分之一开氏度以消除热能影响，再用磁力将气体分开成两部分，分别标记为“上旋”和“下旋”，然后让两部分气体在激光势阱中相撞。研究人员发现，它们不但不像通常那样互相弥散透过，而是戏剧性地互相推开。气云最终还是会弥散融合，但要花很长时间，有几次甚至用了一秒甚至更长，这对微观事件来说是极其漫长的。

第二，量子记忆的证明：

而由德国马克斯普朗克量子光学研究所的科学家格哈德·瑞普领导的科研小组首次成功地将单个光子的量子状态写入铷原子中，经过180微秒后将其读出。这说明单原子也能存储量子信息。

物理学家将量子信息存储到非常冰冷的原子缠结中，并大幅提高了从中检索的时间。

铷原子存储到偶极光学陷阱的时间为7毫秒，这个结果创造了新的纪录，而以前的存储时间纪录是32微秒。量子互联网的目的是分配“缠结”的量子位——两个距离很远有相互关系的数据位，代表“0”或者“1”。所谓“缠结”是指具有交互作用的粒子之间的神奇连接，即使粒子位于宇宙空间的两边，这种连接都能以极快的速度连接，量子位像光子一样在光纤网络中旅行。为了达成量子记忆，研究人员使用一个铷87原子系综，并将其冷冻到绝对零度以使原子的活动最小。为了存储信息，该原子系综被暴露在携带信号的激光之下，允许每一个原子作为“集体激发”的一部分参与存储。简单来说，每一个原子“看见”了前来的信号，一个快速摆动的电磁场，就会刻下相位信息，该相位信息之后就能被“读”到。尽管非常冰冷，系综原子还是可以在任意方向自由移动。因为每一个原子都是存储量子信息的一部分，且数据的有用性依赖每个原子参照其他原子的位置，原子大量的运动可能会破坏信息。

加拿大和德国科学家合作成功地在一种特殊晶体中存入光量子纠缠态的编码信息。物理系教授沃夫冈·泰特尔使用了一种掺入稀土离子的晶体，并将其冷冻到零下270摄氏度。在此温度下，晶体材料性质发生变化，使得研究人员可以存储和提取这些量子，而不产生明显的退化。泰特尔表示，研究结果显示，量子所拥有的“纠缠”这种物理性质，并不像我们以前所通常认为的那样“脆弱”。

2012年3月，由英国牛津大学和曼彻斯特大学组成的联合研究小组通过化学工程，制造出一种名为i的特殊分子结构，并演示了其磁性能保持量子叠加态超过15微秒，在因退相干而失去信息之前，它们的自旋状态可反复转换。

分子磁铁是一种分子，其磁矩通常按分子结构的特殊轴线排布，因此在磁场的影响下，其电子自旋方式也会不止一种状态。在低温下，即使没有磁场，它们也能保持这种状态，这一特性使采用它们来存储信息成为可能。利用化学工程合成人造分子，可以作为量子比特，并使其记忆时间段大大延长。研究人员介绍说，实现单量子比特操作的必要时间为10纳秒，根据以往对i分子磁铁的研究，其相干时间大大超过了这一限制。此前的记忆时段最高纪录为3。8微秒，另外一些分子磁铁系统的记忆时长也能保持在1微秒左右。“记忆时段和相干时间是非常相似的概念。”论文合著者、牛津大学的阿章·阿达万说，“记忆时段越长，表明在量子信息损失之前，能操控量子比特的次数越多。如果能精确控制分子结构，找出各种退相干的机制，就能尽可能减少这些退相干因素。”

另外，一种量子记忆体也被合作加拿大和德国科学家的在超低温环境下成功制造了出来。研究人员使用一种掺杂稀土离子并冷冻至270摄氏度的铌酸锂晶体，成功实现了存储和再现纠缠态光量子，也就是说，他们已经制造出了一种量子记忆体。这种超低温晶体所具有的存储和再现光量子的材料特性，与计算机中字节的保存和调用非常相似。在这种状态里，光量子之间形成“纠缠”关系，即便它们游离开来相距甚远，也会保持这种“纠缠”关系。在某种程度上讲，这种“纠缠”关系意味着量子之间尽管相距甚远还将存在着通信联系。

2011年6月，美国和德国科学家在最新研究中，将包裹钻石内单个电子里的量子信息移入邻近的单个氮原子核内，接着使用芯片上的布线让其返回。

这是科学家首次证明，钻石内的亚原子也拥有量子记忆，全量子信息能在室温下，在单个电子自旋和单个核自旋之间来回高保真地转换。由于亚原子核状态与外部世界之间更难发生具有破坏性的相互作用，钻石内的亚原子也拥有量子记忆。

该研究团队之前已经证明，能够使用氮原子束在钻石上故意制造瑕疵来捕获单个电子，从而合成出数千个这样单个的电子状态，在室温下钻石中的瑕疵也能精确地做到这一点，于是科学家开始考虑利用有瑕疵的钻石来存储数据。由于量子物理学独特的属性，在某种特定的情况下，两个量子物体能混合成为一个新的复合体。通过将瑕疵内电子的量子自旋状态和氮原子核的自旋状态在很短的时间内（不到1千万分之一秒）混在一起，最初被编进电子中的信息会被传递给原子核。量子信息能够被很快地转运给寿命长的核自旋，这能进一步提高我们纠正量子计算中出现的错误的能力。

英科学家们表示，已经研发出了一种新方法，利用“智能材料”来使蛋白质结晶，这种智能材料能记住分子的形状和“性格”。研发新药的过程一般是：科学家们会先找出一个与疾病有关的蛋白质；接着设计出一个能同该蛋白质相互作用的分子，来刺激或者阻止该蛋白质的功能。研究者利用一种名叫“分子印迹聚合物（MIPs）”的材料，研发出了一种更有效地制造蛋白质晶体的方法。MIPs是一种由小单元组成的化合物，这些小单元紧紧包围着一个分子，当其中的分子被提取出来后，会留下一个洞穴，这个洞穴能够保持其形状，并对靶向分子具有很强的亲和性。这种属性使MIPs成为一个理想的成核剂，其能将蛋白质分子绑在一起，并使蛋白质分子更容易集结从而结晶。现实中需要很强的力量才能让蛋白质脱离溶液并形成晶体，MIPs可以成为这个过程的“幕后推手”，它会利用这个蛋白质作为其形成晶体的模板，一旦第一个或第一组分子被放在正确的地方，其他分子能自我排列在它周围并且开始结晶。研究发现，有6个不同的MIPs诱导9个蛋白质形成了晶体，而这些蛋白质在此前的实验中的结晶情况并不理想。

1932年，瑞典人奥兰德在金镉合金中首次观察到“记忆”效应，即合金的形状被改变之后，一旦加热到一定的跃变温度，它又可以魔术般地变回到原来的形状，人们把具有这种特殊功能的合金称为形状记忆合金。记忆合金被誉为“神奇的功能材料”。

1963年，美国海军军械研究所的比勒在研究工作中发现，在高于室温较多的某温度范围内，把一种镍钛合金丝烧成弹簧，然后在冷水中把它拉直或铸成正方形、三角形等形状，再放在40℃以上的热水中，该合金丝就恢复成原来的弹簧形状。后来陆续发现，某些其他合金也有类似的功能。这一类合金被称为形状记忆合金。每种以一定元素按一定重量比组成的形状记忆合金都有一个转变温度；在这一温度以上将该合金加工成一定的形状，然后将其冷却到转变温度以下，人为地改变其形状后再加热到转变温度以上，该合金便会自动地恢复到原先在转变温度以上加工成的形状。

哈佛大学研究人员将96比特数据存储到DNA链中。具体方法则为腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶分别赋予二进制值，随后通过微流体芯片对基因序列进行合成，从而使该序列的位置与相关数据集匹配。微观物质存储宏观数据达到意想不到的效果：1立方毫米即可存储704TB的数据，相当于数百个硬盘的容量。

第三，量子自我组织性的证明：

上海交通大学研究人员报道了宏观自组装现象，这项研究为生命起源提供了新的启示。2004年，1月2日在美国出版的《科学》杂志，发表了上海交通大学化学化工学院颜德岳教授及其博士生周永丰、侯健的论文《形成宏观管子的超分子自组装行为研究》。论文在国际上率先报道了宏观自组装现象，由一类新型的不规则的大分子自组装得到了厘米长度、毫米直径的多壁螺旋管，将超分子自组装研究领域拓展到了宏观尺度，使我国在这一研究领域处于国际领先的地位。

据介绍，超分子自组装是近年来国际科技界关注的一个前沿热点。人们知道蛋白质、细胞乃至生命的形成都是通过自组装来实现的，因此自组装的研究对揭开生命现象奥秘具有十分重要的意义。另外，自组装是目前用来制造纳米材料的最方便最普遍的途径之一。特别对于制造结构规则的功能材料，自组装已经显示出独一无二的优越性。可以说，自组装研究不仅具有重要的学术意义，而且具有广泛的技术应用前景，因此吸引了众多科学家的目光。

由颜德岳教授课题组进行的这项研究始于1998年冬，经过5年多的努力终于成功地自组装得到了形貌更为完美的宏观多壁螺旋管，并经多次重复测试都重现了自组装现象。这项研究结果所展示的从分子直接自组装得到宏观物体的过程和生命物体的形成过程有关，为生命起源研究提供了新的启示。

中国科学院化学研究所光化学院重点实验室江华课题组与法国的科研人员合作在超分子自组装研究中取得了新进展，成功地合成了一系列具有螺旋结构的喹啉酰胺寡聚物。

研究人员通过片段加倍合成法，成功地合成了分别含有2，4，8个喹啉酰胺结构单元的寡聚物。这些寡聚物通过分子内F——NH和N——NH氢键自组装成为单、双螺旋和四螺旋超分子体系（图308和图309和图313）。研究表明无论是在晶体中还是在溶液中，这些多肽寡聚物都呈现相同的螺旋结构。研究人员还发现单螺旋必须通过增加螺旋间的距离才能够组装成为双螺旋超分子体系，并在此基础上提出了多螺旋结构形成的弹簧伸展原理。这和短杆菌肽（GramiD）有着十分相似的自组装机原理，这些研究结果为探索合成新型人工合成折叠分子及其超分子结构提供了新途径。在自然界中，许多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋结构。