科学的新纳米前沿 - 彭博社

“任何对量子理论不感到震惊的人都没有理解它，”20世纪最杰出的物理学家之一尼尔斯·玻尔说。在量子世界——原子、电子和其他非常微小事物的世界——珍视的现实观念崩溃了。物质的微粒可以同时存在于多个地方。电子可以穿透看似不可穿透的墙壁。有些人说量子理论允许多个平行宇宙的可能性。

所有这些奇怪的量子行为，曾经只对理论物理学家重要，如今对电子行业有重大影响。半导体的尺寸已经缩小到个别原子和电子的行为即将变得重要的地步。量子效应开始占据主导地位，改变所有规则。除非芯片制造商学会利用量子物理，否则计算机性能的增长以及所有依赖芯片的事物将会突然停止。

“有趣的时刻。”大约在2010年，刻蚀在半导体上的线宽将缩小到小于十分之一微米。通过这些电路传输的电信号将只有极少的电子，以至于增加或减少一个电子可能会产生影响——将芯片制造商置于量子世界的中心。“到那时，我们最好有一种新技术准备投入生产，”德州仪器公司纳米电子学经理加里·A·弗雷泽说。

这就是为什么世界各地的科学家们急于探究威斯康星大学材料科学家马克斯·G·拉加利所称的“固态物理学的最后伟大边界”。拉加利和其他人制造了称为量子点的微小结构，可以容纳单个电子。它们小到数十亿个可以在针尖上跳舞。研究人员利用量子点制造了可以通过单个电子的运动开关的晶体管。他们还设计了巧妙的量子点排列，可以作为微型强大计算机的核心。“这是一个有趣的时刻，”耶鲁大学电气工程师马克·A·里德说。“这个领域正在爆炸，有很多好的工作正在进行。”

当前的研究涉及长远的基础科学。“我们必须理解新的物理学、新的特性以及在这些更小尺度上可能实现的新设备，”IBM化学家克里斯托弗·B·穆雷解释道。确实，今天正在构建或考虑的量子设备可能永远无法证明经济上可行。但逐分子构建微小结构的概念，结合化学、物理学和材料科学的进步，“必将带来巨大的回报，”圣母大学物理学家詹姆斯·L·梅尔兹说。这一承诺促使德州仪器、IBM、惠普和摩托罗拉等公司支持重大研究工作。

此类研究的主要目标是控制非常小的电子群体的运动，而不受奇怪的量子效应的影响。量子点可能使这一目标成为可能。这些点是宽度小于20纳米的物质团块——即20亿分之一米，约为60个硅原子串的长度。如果这样的团块由具有恰当特性的原子构成，它可以将一个自由的电子变成一个被囚禁的金丝雀。电子无法在没有外部精确大小能量提升的情况下逃脱。

这种“量子限制”产生了一些有趣的现象。它使得在许多CD播放器中已经使用的小型高效激光成为可能。这些所谓的量子阱激光由一层超薄的半导体材料夹在两层其他材料之间制成。中间的电子被困在一个量子平面中，只能在两个维度内移动。这使得以所需的方式向它们注入能量以产生激光光变得更容易。结果是：用更少的能量产生更多的光。

在贝尔实验室，属于AT&T分拆的卢森特科技公司，研究员洛伦·费费尔正在更深入地研究量子技术。他从平面中再去掉一个维度，制造基于所谓量子线的激光器。在内部，电子只能朝一个方向移动。量子线激光器可以在超出量子阱激光器实际限制的功率水平下发光。“这可能为通信带来压倒性的优势，”费费尔说。这些高功率激光器可能减少在电信线路上每50英里左右安装的昂贵中继器的需求，以再生激光脉冲，因为激光脉冲在光纤中传播时会衰减。

科学家们预计通过从量子线转向量子点会获得更多收益。但研究人员构建的量子点激光器并没有达到预期。由于各种原因，包括制造这些簇的大小完全相同的困难，“这些点并不像人们想象的那样有用，”惠普公司的研究员吉尔伯托·梅德罗斯-里贝罗说。

第一个挑战是找到一种方法来大规模生产几乎相同大小的量子点。两种主要方法是刻蚀半导体中的柱子和在其上沉积簇（见图，101页）。一些研究人员正在摒弃这些技术，转而采用化学方法。例如，贝尔实验室的物理化学家路易斯·E·布鲁斯开创了一种在试管中逐分子生长量子点晶体的方法。利用这种技术，研究人员已经构建了可以调谐到不同颜色的发光二极管。

更为奇特的是，南卡罗来纳大学詹姆斯·M·图尔的化学实验室中由单个有机分子构成的量子结构。这种方法提供了一个诱人的前景，即在每平方毫米上装入数万亿个分子大小的设备。这个单一的毫米将包含比现在个人电脑中发现的晶体管多出10,000倍。

如果计算功能要通过单个电子的运动来执行，量子点抓取和保持电子的能力是至关重要的。纽约州立大学石溪分校的物理学家康斯坦丁·K·利哈列夫构建了一个带有量子存储点的模型内存芯片。单电子晶体管通过感应被捕获电子的电场来“读取”点的内容。在纸面上，他的设计可以在一个与现有芯片大小相同的芯片上存储一个 terabit 的数据——即一万亿位，或比现有芯片能存储的多出15,000倍。

许多研究团队已经制作了利哈列夫模型所需的单电子晶体管。例如，在1993年，英国剑桥大学一个由日立资助的实验室宣布它已经构建了一个实验性的单电子存储设备。去年七月，它揭示了一个单电子逻辑结构。

大多数量子设备在极低的温度下工作。即使是最轻微的热量也会使电子变得过于活跃，并淹没微小的量子效应。然而，通过仔细改变材料以使量子点对其电子有更紧密的抓握，包括日本电气实验室的松本和彦和斯坦福大学的詹姆斯·S·哈里斯在内的一些电气工程师，最近构建了在室温下工作的单电子晶体管。“当我们在1开尔文（零下458华氏度）工作时，世界上大多数人认为我们真的很疯狂，”哈里斯说。“现在，这项工作激发了很多研究。”

许多问题仍待解决。切换速度可能很慢，单个电子很容易被杂散电能偏离其预定路径。因此，大多数科学家并没有试图设计今天计算机的量子仿制品，而是努力 concocting 根本新的方法。

方形舞。在圣母大学，克雷格·S·伦特和理论家沃尔夫冈·波罗德提出了一种方案，其中基本构建块是一个包含四个量子点的正方形。当添加两个电子时，它们会退回到对角的角落。因此，这个正方形有两种可能的配置：电子在左上角和右下角，或者在右上角和左下角。这正是开关所需的——并且可以通过相邻正方形中电子的运动来反复切换。这意味着这些正方形可以排列成复制计算所需的所有逻辑功能。到目前为止，伦特的团队仅成功构建了点对以测试物理。但初步结果是“惊人的，”伦特说。“我原本准备好它们的效果没有现在这么好。”

无论哪种技术被证明是构建量子芯片的最佳方式，未来几年都需要艰苦的工程。“量子计算目前还很遥远，现在只是让我们挠头的有趣事情，”惠普新量子效应实验室负责人R·斯坦利·威廉姆斯说。不过，研究人员预见到有一天，数万亿个量子点可以堆叠在常规硅板的层上。这承诺在一个针头上实现超级计算机——使这些奇特结构成为量子前沿上最热门的繁荣城镇的一部分。