王大虎

王大虎: 第二,量子记忆

王大虎

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成功首次将单个光子的量子状态写入一个铷原子中,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,并大幅度提高了从中检索的时间。

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,该原子系综被暴露于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,系综原子可在任意方向X移动。因为每一个原子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-270℃。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”。

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Cr7Ni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。

王大虎

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变成不止一种状态。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Cr7Ni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加拿大和德国科学家合作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℃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,即便是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。

王大虎
王大虎

美国和德国科学家在最新研究中,将包裹于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,能够使用氮原子束故意在钻石上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,这能进一步增强我们纠正量子计算X现的错误的能力。

王大虎

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如下: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X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的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X,这个X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”,它会使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时,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。

 

 

王大虎

第三,自我组织性

 

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,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》。该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。

 

图045 量子比特艺术图(图片来源:微图网)

由颜德岳教授课题组进行的这项研究始于19X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X。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X,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(Gramicidin)有着十分相似的自组装机理,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。

美新发现自旋纳米粒子会自我组装成“活着的晶体”:2014年2月据中国科技网,每日科学网报道,美国密歇根大学教授莎朗·格洛特兹领导的团队在解决纳米粒子自我组装时发现,只是让纳米粒子自旋就会诱导它们组成科学家们所谓的“活着的旋转晶体”,这种晶体或许可以用作纳米泵,在设备内运输物,也能顺带解释生命的起源。科学家们之所以称这种晶体为“活着的”,是因为从某种程度上来说,它们自己就采用一种非常简单的规则呈现出了生命的形式。

包括格洛特兹在内的科学家一直在探索纳米粒子像生命刚开始,是如何从无序状态,自然演变成有序状态的。而格洛特兹团队解决这一组装挑战的方式是,持续不断地添加拥有能量的组件,用这种方式来处理纳米粒子。结果,研究人员最近发现,如果粒子从基本运动(比如朝一个方向移动)就开始获得能量,那么,它们会相互影响,形成X体,而格洛特兹团队发现,旋转的粒子会自我组装。该研究团队认为,尽管计算机模拟是二维的,旋转的粒子也能变成“活的”三维晶体,因此,或可用于解释生命的起源。

美实验室意外合成二维有机准晶体:据国外媒体报道:美国圣母大学的物理化学家亚历克斯·坎德尔(Alex Kandel)所在的实验室意外发现了一种有机分子形成的二维准晶体,并发表在《自然》上。

这是一种由自我装配的有机分子形成的二维准晶体。这种奇特的准晶体由扁平的单层五边环分子组成。这个分子组奇特的装配方式导致这一层里的其它分子形成了五角形、星形、船形和菱形等形状。如果这是一个规则的古老晶体,那么这些X体和形状会在每一层里以可预测的方式反复出现。但是,在准晶体里,同一层里反复出现相同的形状,但似乎不是以有组织的形式出现。准晶体的结构是部分晶体部分紊乱的,是介于重复对称单元的结构和完全无序的建构单元结构之间。

 

图046

 

图047 (图片及参考资料来源:《化学所模拟生物分子螺旋结构取得新进展》中国科学院,2008年3月5日)

 

图048 (图片及参考资料来源:《化学所模拟生物分子螺旋结构取得新进展》中国科学院,2008年3月5日)

图片由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小组提供。

 

图049 二维有机准晶体(图片及参考资料来源:凤凰科技讯2014年3月10日,美实验室意外合成二维有机准晶体,图片由美国圣母大学的物理化学家亚历克斯·坎德尔(Alex Kandel)提供。)

有关自我装配的意思,不少科学家们也表示X。科学家维德拉认为这个术语可以应用于所有的准晶体结构,而不仅限于新发现的这个。坎德尔辩论称由强大的化学键组成的结构——正如其它准晶体一样——其实并非是自我装配的。这些强大的化学键“压倒了”单个建造单元互相结合的力量,使得材料别无选择只能形成组织。而在这种新的准晶体里,这些建造单元是由微弱的氢键结合在一起的。“自我装配非常有趣,因为驱动组织形成的力量远比单个结构形成的力要更微弱。”坎德尔说道。

 

 

发表评论

电子邮件地址不会被公开。 必填项已用*标注