钻石　量子计算机的心脏(图)

钻石

　　钻石拥有许多独特的物理性质。高纯度的钻石中有一种特殊杂质，拥有相当稳定的电子自旋状态，可以存储量子信息；不同杂质之间的自旋相互作用，可以实现复杂的量子逻辑运算。有一天，量子计算机会出现在我们的日常生活之中，它的核心很可能是用钻石制造的。

　　撰文 戴维·D·阿沙洛姆（David D. Awschalom）

　　 赖安·爱泼斯坦（Ryan Epstein）

　　 罗纳德·汉森（Ronald Hanson）

　　翻译 张童

　　审校 薛其坤

　　金刚石，俗称钻石，是一系列物理性质的世界纪录保持者：拥有超高的硬度，热导率也是所有固体材料中最优良的，对紫外线也高度透明。随着高纯度单晶金刚石制备技术和掺杂技术的发展，金刚石在固态电子器件上的应用前景也越来越诱人。纯净的金刚石是电的绝缘体，但如果掺入杂质，金刚石就会变成具有奇特性质的半导体，可用来探测紫外线，制作紫外线光电二极管、光学设备以及大功率微波器件等。然而，金刚石最令人激动的应用出现在量子自旋电子学（spintronics）领域，可能会带来实用的量子计算机（这种计算机具备常规计算机难以企及的运算能力），还有可能实现高度安全的量子通讯技术。

　　自旋电子学是电子学的进一步发展。传统电子学驾驭的只是电子的电荷，而自旋电子学除了电荷以外，还要驾驭一种被称为“自旋”（spin）的物理性质——这种性质让电子的行为方式看起来就像小磁棒。你的计算机里也许就有自旋电子学的第一个初级商业化产品——硬盘磁头。1998年以来，硬盘磁头开始利用一种名为“巨磁电阻效应”（giant magnetoresistance）的自旋电子学现象，来探测磁盘上微小磁畴的取向（不同的取向代表着二进制数据中的0和1），从而实现数据的读取。

　　另一种自旋电子学器件——磁随机存储器（MRAM），将出现在今后几年的新型计算机中。与硬盘一样，MRAM也用磁性储存信息，因此是非易失性存储器——断电后数据信息也不会丢失；而数据的读写则靠电来完成——与其他用电荷储存信息的存储器一样。摩托罗拉子公司飞思卡尔半导体公司（Freescale Semiconductor）已于2006年率先推出了MRAM的商业化产品。

　　如果使用非易失性存储器芯片，计算机就不必在每次开机后，都耗时费力地从硬盘上重新载入程序，而是瞬间复原到关机前的状态，就像现在的掌上电脑一样。因为所有需要载入的程序和数据仍然保存在内存芯片中，并没有丢失。

　　现在，更先进的自旋电子技术还处于早期研究阶段，比如能够在控制电流的同时利用自旋的自旋晶体管（spin transistor）。掌握了这些技术，我们就能制造出运行时可重新设定逻辑电路的计算机芯片。