真的能用原子积木构建材料世界？( 二 ) _小知识

梦想的第一步
但在2016年，荷兰代尔夫特理工大学的桑德·奥特和他的同事开始接近这个目标了。
奥特等人注意到，氯离子很容易在铜表面上移动，他们利用计算机来控制显微镜，使其自动扫描和移动铜表面上的6万个氯离子。结果是，他们制造出了一种信息存储设备，即每一个氯原子的不同位置都可以代表不同的信息。如果他们的存储设备能做到1平方厘米，那么就能存储10T（10240 GB）的数据，超过目前所有的存储设备。
更重要的是，奥特的研发成果表明，我们正在接近费曼的梦想。奥特表示，如果我们能按照自己的意愿移动原子的话，那么这意味着我们基本上可以开始直接设计我们想要的材料，而不是仅仅局限于大自然给我们的材料。
但他知道，达到这个目标十分困难。最大的问题之一是，要想制造出1克的材料，你必须组装约1023个原子。用显微镜费力地把每一个原子都拖到特定的地方，并一层一层地搭建，这种办法太慢了。因此，当我们弄清楚如何更快地移动原子的同时，我们应该把精力集中到移动少量原子就能提高或改变材料性能的应用上。
就拿手机里的芯片来说吧，每一个都有数十亿个晶体管，晶体管的功能像水龙头一样，打开和关闭电流。现在的晶体管是如此之小，它们容易漏电，这会产生热量，并降低芯片运行的最高速度。如果你能修改少数原子，让每个晶体管都不漏电，那么你就能提高整个芯片的性能。
但对于上面这个应用来说，扫描隧道显微镜可能不是我们最好的操作工具，因为它只能操纵表面上的原子。不过，有一种仪器可以操纵材料内部的原子，它就是扫描透射电子显微镜。这种显微镜是使用电子束透射到材料内部并进行扫描，来得到内部的图像的。但有时，其电子束还可以轻推内部的单个原子。现在，有几个研究团队正在尝试利用扫描透射电子显微镜来组装出具有原子级别精度的材料。

该如何排列原子？
不过，还有一个更要紧的问题困扰着我们: 我们不知道该把我们移动的原子如何排列。如果你的目的是创造具有特殊性质的材料，你不能只是随机安排原子，然后就希望能管用。相反，你首先要在计算机上去模拟新的材料，这正是美国杜克大学的斯特法诺·库塔罗正在努力完成的目标。
库塔罗已经开发出一种软件，可以在不进入化学实验室的情况下，快速评估新材料原子排列的化学稳定性和物理性能。他已经取得了一些成功。 2017年，他的合作者用他的软件，在电脑上找到了两种潜在的新型磁性材料，而实验合成的材料，其性能的确如此。其他研究人员正在使用这种方法，来寻找更好的化学电池和制造太阳能电池的材料。
不过，研究人员在寻找新型磁性材料时，是用了三种元素的原子按照一定的规律重复排列，然后再让计算机分析出哪种排列满足要求，这种办法可以让计算机更加容易处理。然而，要想模拟由任意的元素和任意的排列组合成的材料，其排列组合方式数目巨大，得需要大量的计算，当前的超级计算机都没办法完成这种模拟。
用量子计算机来助力
那么，费曼的梦想又要遥遥无期了？不完全是，因为有一种设备能同时进行很多次的模拟，它能很快地找到我们所需要的原子排列。这种设备就是量子计算机。
量子计算机能利用量子力学的怪异特性，来实现经典计算机很难达到的计算能力。在普通计算机中，晶体管只能处于两种状态中的一种——要么是开，要么是关。但量子计算机是基于微观粒子的量子性质来进行运算的，比如它可以用一个粒子的自旋状态，来代表一个基本信息单位，而粒子的自旋既可以是向上，也可以是向下，还可以同时处于向上和向下的叠加态，这种信息单位就是量子比特，而叠加态能让量子计算机同时给出一个问题的多种处理方式。 1个量子比特的量子计算机可以同时给出2种处理方式， 2个量子比特可以同时给出4种处理方式， 3个量子比特可以同时给出8种处理方式……处理能力呈指数级增长。

真的能用原子积木构建材料世界？( 二 )

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