科學(xué)家發(fā)現(xiàn)三維量子液晶 超高速量子計(jì)算機(jī)有戲

　　19世紀(jì)以前，人們從未想過(guò)某些物質(zhì)還可以具有“液晶”狀態(tài)。直到一位來(lái)自?shī)W地利的植物學(xué)家，萊尼茨爾在做膽甾醇苯酸酶加熱實(shí)驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)晶體物質(zhì)融化過(guò)程中，在不同溫度下，顏色變得截然不同。

　　隨后物理學(xué)家勒曼發(fā)現(xiàn)，晶體融化液體與晶體類似，具有雙折射性質(zhì)，于是將其命名為“液晶”。

　　20世紀(jì)至今，液晶技術(shù)不斷提升，比如二維量子液晶已成為高溫超導(dǎo)體的前身。

　　如今，科學(xué)家們新發(fā)現(xiàn)三維量子液晶，它將用于制造拓?fù)涑瑢?dǎo)體。

　　一種兼具晶體和液體部分性質(zhì)的中間態(tài)

　　據(jù)外媒“科學(xué)警報(bào)”網(wǎng)站4月22日?qǐng)?bào)道，加州理工學(xué)院量子信息與物質(zhì)研究所的物理學(xué)家們首次發(fā)現(xiàn)了一種三維量子液晶。作為一種新的物質(zhì)狀態(tài)，它預(yù)計(jì)將在超高速量子計(jì)算中得到應(yīng)用，并且研究人員認(rèn)為，目前的發(fā)現(xiàn)還只是“冰山一角”。

　　物質(zhì)的“液晶”狀態(tài)并不是一個(gè)新鮮概念，正如前所述，它在19世紀(jì)就已被發(fā)現(xiàn)。當(dāng)某些物質(zhì)在熔融狀態(tài)，或被溶劑溶解之后，會(huì)失去固態(tài)物質(zhì)的剛性，卻獲得了液體流動(dòng)性，同時(shí)保留部分晶體狀態(tài)下，物質(zhì)分子的各向異性有序排列，成為一種兼具晶體和液體部分性質(zhì)的中間態(tài)，即“液晶”狀態(tài)。

　　標(biāo)準(zhǔn)的液晶分子既能自由流動(dòng)，又能像固體一樣保持定向。在電場(chǎng)作用下，液晶分子的排列會(huì)出現(xiàn)變化，從而影響到其光學(xué)性質(zhì)，該現(xiàn)象也被稱為電光效應(yīng)。這種效應(yīng)滿足了工業(yè)制造領(lǐng)域的某些需求，比如，人工制造液晶，用于制作電視機(jī)、電腦、智能手機(jī)以及手表等電子設(shè)備的顯示屏。當(dāng)然，也并非只有工業(yè)領(lǐng)域才使用液晶，自然界的生物細(xì)胞膜中也有液晶分子的存在。

　　1999年，同樣是加州理工學(xué)院，物理和應(yīng)用物理學(xué)的兩位教授，吉姆·愛(ài)森斯坦和弗蘭克·羅歇克發(fā)現(xiàn)了二維量子液晶。它們的分子表現(xiàn)和普通液晶分子一樣，但物質(zhì)內(nèi)的電子雖能自由移動(dòng)，卻更傾向于沿一定方向排列，即存在優(yōu)先流動(dòng)方向。愛(ài)森斯坦的量子液晶之所以有這樣的表現(xiàn)是因?yàn)?，晶體分子受限于宿主材料，人工生長(zhǎng)的砷化鎵金屬存在單個(gè)平面的結(jié)構(gòu)。隨后，科學(xué)家們?cè)谄渌牧现幸舶l(fā)現(xiàn)了二維量子液晶，并用其制作高溫超導(dǎo)體，能夠在溫度為負(fù)150攝氏度的情況下就實(shí)現(xiàn)無(wú)電阻，比傳統(tǒng)超導(dǎo)體運(yùn)行的溫度更高。

　　與二維量子液晶相比，三維版本的液晶分子的性質(zhì)也許更加奇特

　　現(xiàn)在，美國(guó)科學(xué)家謝地，謝地實(shí)驗(yàn)室的博士后研究員約翰·哈特，以及美國(guó)田納西大學(xué)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究者們合作，共同發(fā)現(xiàn)了首個(gè)三維量子液晶。最新研究成果論文已發(fā)表于4月下旬的《科學(xué)》雜志上。

　　該研究的第一作者約翰·哈特介紹，二維量子液晶的分子行為方式十分奇特，雖然晶格中X軸與Y軸的指向和傳統(tǒng)液晶分子并無(wú)不同，但整個(gè)平面上的電子會(huì)整體決定更傾向于其中的某個(gè)方向。

　　與二維量子液晶相比，三維版本液晶分子的性質(zhì)也許更加奇特。在三維量子液晶中，不僅X、Y、Z軸方向的電子分布不同，在特定方向軸上，向前或向后的流動(dòng)磁性也有所不同。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是三維量子液晶的電子具有完全不同的磁性，即能夠沿一個(gè)給定軸方向流動(dòng)。這意味著提供了使材料變?yōu)榇盆F的方式，或者能夠改變磁鐵的磁性強(qiáng)度和方向。

　　科學(xué)家謝地表示，僅僅使材料通電，改變材料所處電場(chǎng)，就能將其從非磁體轉(zhuǎn)變?yōu)榇朋w，十分不可思議。此外，液晶內(nèi)部能通過(guò)的電流方向之間，磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向皆不同，等于打破了晶格的對(duì)稱性。起初研究者們對(duì)所發(fā)現(xiàn)的狀況不能理解，隨后了解到麻省理工學(xué)院科學(xué)家曾提出“三維量子液晶”概念，很好解釋了研究結(jié)果，這才確定找到的正是三維量子液晶。

　　生產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)

　　研究者約翰·哈特表示，自己也是偶然間發(fā)現(xiàn)“三維量子液晶”。原本，他試圖利用光學(xué)二次諧波旋轉(zhuǎn)各向異性技術(shù)描繪晶體結(jié)構(gòu)，從而研究基于錸元素的金屬化合物的原子結(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中，研究者向材料發(fā)射激光，反射的激光頻率會(huì)變?yōu)閮杀叮⑶移淠Ｊ桨司w對(duì)稱性的信息。而針對(duì)錸基金屬化合物的測(cè)量所得模式十分奇怪，無(wú)法為已知的化合物原子結(jié)構(gòu)所解釋。這才使得研究者們重新審視研究結(jié)果，確認(rèn)“三維量子液晶”的存在。

　　如同液晶被發(fā)現(xiàn)后，廣泛應(yīng)用于LED屏幕制作一樣，三維量子液晶的發(fā)現(xiàn)有望推進(jìn)超高速量子計(jì)算機(jī)的建設(shè)進(jìn)程。液晶分子的量子性質(zhì)將使得代碼解密等計(jì)算過(guò)程實(shí)現(xiàn)超級(jí)高速。

　　生產(chǎn)量子計(jì)算機(jī)本身就是一個(gè)挑戰(zhàn)，因?yàn)榱孔有?yīng)十分微妙而短暫，脆弱到一旦與周圍環(huán)境的相互作用被改變，效應(yīng)實(shí)現(xiàn)的過(guò)程就會(huì)被摧毀。加州理工學(xué)院理論物理學(xué)和數(shù)學(xué)領(lǐng)域的教授們提出拓?fù)淞孔佑?jì)算技術(shù)。實(shí)現(xiàn)該技術(shù)又需要借助一種被稱為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的特殊材料，而三維量子液晶的存在恰好能夠用于構(gòu)造該材料。

　　這意味著以后，人們不再依賴于偶然運(yùn)氣去發(fā)現(xiàn)拓?fù)涑瑢?dǎo)體，而是能用三維量子液晶合理構(gòu)造出它。而如何構(gòu)造，正是研究者們的下一步工作?？茖W(xué)家謝地表示，三維量子液晶可以作為拓?fù)涑瑢?dǎo)體的前驅(qū)物，方式就如同二維量子液晶被當(dāng)作高溫超導(dǎo)體的先兆一樣。研究小組預(yù)計(jì)，三維量子液晶的分子特性將幫助科學(xué)家們開(kāi)拓并促進(jìn)超高效計(jì)算機(jī)芯片研究的發(fā)展。