马特·特鲁斯海姆在黑暗的实验室里拨动一个开关，一道强烈的绿色激光照亮了一块微小的钻石，这块钻石被固定在显微镜物镜下方。电脑屏幕上出现了一个图像，一个模糊的绿色云团，点缀着更亮的绿点。发光的点是钻石中的色心——微小的缺陷，其中两个碳原子被一个锡原子取代，将通过的光线从一种绿色阴影转变为另一种。
稍后，这颗钻石将被冷却到液氦的温度。通过在原子层面上控制钻石的晶体结构，将其降至接近绝对零度几度的温度，并施加磁场，麻省理工学院物理学家德克·英格伦德运营的量子光子学实验室的研究人员认为，他们可以选择光子和电子的量子力学特性，使其精确到可以传输牢不可破的密码。
特鲁斯海姆是该实验室的博士后研究员，他是众多试图弄清楚究竟哪些原子嵌入哪些晶体在什么条件下会给他们那种控制权的科学家之一。实际上，世界各地的科学家都在努力解决在原子及以下水平（直至电子甚至电子分数）控制自然的难题。他们的目标是找到控制物质和能量基本属性的旋钮，并转动这些旋钮来定制物质和能量，创造出超强量子计算机或在室温下工作的超导体。
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这些科学家面临两个主要挑战。在技术层面上，这项工作极其困难。例如，一些晶体必须在比太空更空旷的真空室中制造成纯度达到99.99999999%。更根本的挑战是，这些研究人员想要利用的量子效应——例如，粒子同时处于两种状态的能力，类似于薛定谔的猫——发生在单个电子的层面上。在宏观世界中，魔法消失了。因此，在最小尺度上操纵物质的研究人员正试图诱导自然以违反基本物理学极限的方式表现。他们在多大程度上取得成功将有助于决定我们在未来几十年中的科学理解和技术能力。
炼金术士的梦想
在很大程度上，操纵物质就是控制电子。毕竟，材料中电子的行为决定了其整体性质——物质是金属、绝缘体、磁体还是其他物质。一些科学家正试图改变电子的集体行为，以创造所谓的量子合成材料。罗格斯大学物理学家伊娃·安德烈在最近的一次会议上断言，研究人员设想“我们可以将绝缘体变成金属或半导体，并将其变成超导体。我们可以将非磁性材料变成磁性材料”。“这真的是炼金术士梦想成真。”
这个梦想可能会带来真正的突破。例如，研究人员几十年来一直试图创造室温超导体，这种材料可以产生诸如不损失任何能量的输电线路等创新。在1957年的一项突破中，物理学家约翰·巴丁、利昂·库珀和约翰·罗伯特·施里弗证明，当铝等金属中的自由电子排列成所谓的库珀对时，就会产生超导性，这为他们赢得了1972年的诺贝尔奖。即使它们相距相对较远，每个电子都与另一个具有相反自旋和动量的电子配对。就像拥挤的迪斯科舞厅里的情侣跳舞一样，即使其他电子介于它们之间，配对电子的运动也是相互协调的。
这种排列允许电流以零电阻流动通过材料，因此没有损耗。迄今为止开发的最实用的超导体必须冷却到接近绝对零度几度的温度，这种状态才会出现。**
然而，最近研究人员发现，用高强度激光照射材料也可以将电子敲入库珀对，即使只是短暂的。德国汉堡马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的安德烈亚·卡瓦莱里和他的同事发现了金属和绝缘体中光致超导性的迹象。照射材料的光会使原子振动，导致电子短暂进入超导状态。“震动需要非常剧烈，”加州理工学院的凝聚态物理学家大卫·谢说，他使用相同的激光技术在其他材料中诱导不寻常的量子效应。“瞬间，电场非常强——但它只持续很短的时间，因此不会传递那么多热量。”*
为了防止激光汽化材料，谢使用持续时间仅为几十或数百飞秒的脉冲照射它。（一秒钟内的飞秒数与3200万年中的秒数一样多。）不幸的是，由此诱导的超导性持续时间不长。追求类似工作的研究人员面临的挑战是弄清楚如何使这种效应持续足够长的时间以供使用。谢在谈到这项研究和其他量子材料研究时说：“我们试图做的是构想出主体化合物，即使当你在谈论一大批电子时，通常局限于单个粒子的量子力学怪异性仍然保留。”
牢不可破的密码
控制电子也是特鲁斯海姆和英格伦德希望开发牢不可破的量子加密的方式。在他们的情况下，目标不是改变材料的性质，而是与传输密码密钥的光子共享其工程钻石中电子的量子性质。在英格伦德实验室的钻石色心中晃动的是自由电子，其自旋可以通过用强磁场探测来测量。与磁场对齐的自旋可以称为自旋 1，而未对齐的自旋是自旋 2——相当于数字比特的 1 和 0。“它是一个量子粒子，所以它可以同时处于两种状态，”英格伦德说。这使其成为量子比特，或量子位，能够同时进行多次计算。
这就是一种称为量子纠缠的神秘性质发挥作用的地方。想象一个盒子，里面装着一个红球和一个蓝球。你可以不看就伸手进去，拿出一个球放在口袋里，然后穿过城镇。然后你从口袋里拿出球，发现它是红色的。这立即告诉你盒子里的球是蓝色的。这就是纠缠。这种效应转化为量子领域，可以瞬时且跨越遥远距离传输信息。
英格伦德实验室钻石中的色心通过纠缠将其中包含的电子的量子态转移到光子上，从而创建了英格伦德所称的“飞行量子位”。与标准光通信一样，光子可以传输到接收器——在本例中是另一个钻石空位——并且其量子态转移到新的电子，因此两个电子变得相关。这种纠缠比特的传输允许两个人共享密码密钥。“每个人都有一串 0 和 1，或自旋的向上和向下，在本地看起来是随机的，但它们是相同的，”英格伦德说。使用该密钥作为他们发送的其他数据的乘法因子，使他们能够安全地通信。如果窃听者拦截了传输，发送者就会知道，因为测量量子态的行为会改变它。
英格伦德正在试验一个量子网络，该网络通过光纤在他自己的实验室、哈佛大学附近的一个设施以及麻省理工学院林肯实验室（位于附近城镇莱克星顿）之间发送光子。研究人员已经成功地在更远的距离上传输量子密码密钥——2017年，中国科学家报告说，他们已经从地球轨道上的一颗卫星向西藏山区相距1200公里的两个地面站传输了这样的密钥。但中国实验的比特率太低，无法用于实际通信：研究人员在六百万个纠缠对中仅检测到一个。将使地面量子密码网络实用的创新是量子中继器——放置在整个网络中的间隔设备，可在不干扰其量子特性的情况下增强信号。英格伦德的目标是找到具有恰到好处的原子缺陷的材料，以形成这些量子中继器的核心。
诀窍是制造足够的自旋纠缠光子来传输数据。氮空位中的电子将其自旋状态保持很长时间——大约一秒钟——增加了通过的激光产生纠缠光子的机会。但是氮原子很小，它不能填满缺失的碳原子产生的空间。这种错配会导致后续光子的颜色略有不同，因此它们不再相互匹配。其他原子，如锡，可以舒适地嵌入并产生稳定的波长。但是这些原子不能长时间保持其自旋——因此，这项工作仍在继续寻找完美的平衡。
分裂的末端
当英格伦德和其他人与单个电子作斗争时，一些科学家正在更深入地潜入量子世界，并试图操纵电子的微小分数。这项工作起源于1982年进行的一项实验，当时贝尔实验室和劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的科学家将两层不同的半导体晶体夹在一起，冷却到接近绝对零度，并施加强磁场，将电子捕获在两层晶体之间的界面平面上。这种排列创造了一种量子汤，其中任何给定电子的运动都受到它从其他电子感受到的电荷的影响。“它们实际上不是独立的粒子，”普渡大学量子半导体系统小组的负责人迈克尔·曼弗拉说。“你可以想象一场芭蕾舞，每个舞者不仅仅是在做自己的事情，而且他们还在回应他们的舞伴或其他舞者的动作。存在这种广义的反应。”
图片来源：Jen Christiansen
这个集合的奇怪之处在于它可以具有分数电荷。电子是一个不可分割的单位——你不能将一个电子切成三分——但正确状态下的一组电子可以产生一个具有 1/3 电荷的所谓准粒子。“这就像电子被分数化了，”马里兰大学和国家标准与技术研究院之间的研究合作伙伴关系——联合量子研究所的物理学家穆罕默德·哈菲兹说。“这非常奇怪。”哈菲兹在超冷石墨烯（单原子厚的碳片）中创造了这种效应，他最近表明，他可以通过用激光照射石墨烯来操纵准粒子的运动。“现在它是可控的，”他说。“现在我拥有的外部旋钮，如磁场和光，可以上下调节。因此，集体状态的性质发生了变化。”
操纵准粒子可以创建一种特殊的量子比特——拓扑量子比特。拓扑学是数学的一个分支，研究即使物体被扭曲或变形也不会改变的物体性质。标准的例子是甜甜圈：如果它是完全弹性的，你可以将其重塑成咖啡杯，而不会改变任何本质的东西；甜甜圈的孔将承担起杯子把手开口的新角色。然而，要将甜甜圈变成椒盐卷饼，你必须在其中戳出新的孔，从而改变其拓扑结构。
拓扑量子比特即使在不断变化的环境条件下也能保持其特性。通常，粒子在受到环境中某些东西（例如热引起的微小振动）的干扰时会改变其量子态，或“退相干”。但是，如果你用两个准粒子（例如在纳米线的两端）分开一定距离来制造量子比特，那么你基本上是在分裂一个电子。“两半”都必须经历完全相同的扰动才能退相干，而这种情况不太可能偶然发生。
这种特性使拓扑量子比特对量子计算机具有吸引力。由于量子比特能够同时处于多种状态的叠加态，量子计算机应该能够执行其他方面不可能进行计算密集型任务，例如模拟宇宙大爆炸的物理学。事实上，曼弗拉是微软在全球范围内构建基于拓扑量子比特的量子计算机的努力的一部分。还有其他可能更容易的方法。例如，谷歌和IBM正在研究基于超冷导线成为半导体或真空室中被激光捕获的离子化原子的量子计算机。这些方法的缺点是，与拓扑量子比特相比，它们对环境扰动更敏感，尤其是随着量子比特数量的增加。
因此，拓扑量子比特可能预示着我们在操纵微小事物能力方面的一场革命。然而，存在一个重大问题：它们尚不存在。研究人员正在努力用一种名为马约拉纳粒子的物体来构建它们。埃托雷·马约拉纳在1937年假设了这种粒子，这种粒子是其自身的反粒子。电子及其反粒子——正电子，除了电荷外，具有相同的性质，但马约拉纳粒子的电荷为零。
科学家们认为，电子和空穴（电子的缺失）的某些配置可以像马约拉纳粒子一样表现。反过来，这些粒子有一天可能会被用作拓扑量子比特。2012年，荷兰代尔夫特理工大学的物理学家列奥·库文霍温和他的同事们在超导和半导体纳米线网络中测量到了似乎是马约拉纳粒子的东西。尽管如此，马里兰大学帕克分校凝聚态理论中心的桑卡·达斯·萨尔马认为，实际证明这些准粒子存在的唯一方法是用它们构建拓扑量子比特。
然而，该领域的其他专家持乐观态度。“我认为毫无疑问，最终会有人制造出拓扑量子比特，只是因为这样做很有趣，而且他们会弄清楚如何做到，”牛津大学凝聚态理论学家史蒂夫·西蒙说。“最大的问题是，这是我们未来构建量子计算机的方式吗？”
量子计算机——以及高温超导体和牢不可破的量子加密——可能还需要多年才能实现，或者它们可能永远无法实现。但与此同时，研究人员将继续努力掌握最小尺度上的自然。科学家们还不知道他们能走多远。他们已经走得非常远了，但他们走得越远，大自然的反抗就越强烈。
*编者注（5/15/18）：本段已在发布后编辑。原文错误地指出，加州理工学院的大卫·谢在一种称为莫特绝缘体的材料中创造了光致超导性，这种材料在非常低的温度下会变成绝缘体。德国汉堡马克斯·普朗克物质结构与动力学研究所的安德烈亚·卡瓦莱里和他的同事发现了金属和绝缘体中光致超导性的迹象。谢使用相同的激光技术在其他材料中诱导不寻常的量子效应。
**编者注（5/23/18）：这句话在发布后进行了编辑，因为它错误地将冷却到接近绝对零度的超导体称为迄今为止开发的唯一实用的超导体。虽然它们具有实际应用，但在更高温度下表现出超导性的版本已被广泛使用。
本文是特别报告“科学中最重大的问题”的一部分，由卡夫利奖赞助。它由《大众科学》和《自然》编辑独立制作，他们对所有编辑内容负全部责任。