1 “超凡物质”诞生记
液体能自己沿着容器壁爬出去又爬进来，金属变得完全没有电，还可以将光“冻结”其中……
如果让量子效应出现在宏观世界，就会诞生出上述“超流体”、“超导体”等“超凡物质”，上演不可思议的一幕。美国斯坦福大学的科学家2012年5月宣布，他们用金属镝造出世界上第一个双极量子费米子气体，该费米子气体兼具“晶体”和“超流体”二者看似矛盾的特征，是一种全新的量子物质，在将“超自然现象”引入现实应用方面，迈出了非常重要一步。
当物质的温度逼近绝对零度时，分子的运动会几乎完全停止，其原子的运动由量子力学定律决定，如果满足必要的条件，就会呈现出“量子物质”的状态，具有无限变化的潜在“超凡”能力，在这之中，最鼎鼎大名的，当属“玻色-爱因斯坦凝聚态”。
我们已经知道，按照自旋量子数的不同，科学家把基本粒子分为玻色子和费米子两大类。具有玻色子特征的原子气体在低温时“凝聚”的量子气体物质，就是 “玻色-爱因斯坦凝聚态”，它是1924年爱因斯坦预言的一种“超物质”，即不同状态的原子突然会“变成”一个超级大原子，成为“整齐划一”的同一状态，由此产生许多神秘有趣的性质。
全世界科学家为此付出了几十年的努力，才在1995年首次利用铷原子蒸汽，从实验上证实了这个新物态的存在，当时曾引发了物理学界的极大震动，有3位科学家也因此分享2001年度诺贝尔物理学奖。
相比于玻爱凝聚态的“艰难问世”，费米子凝聚态则一直被认为“不可能问世”。因为在低温时，玻色子能全部聚集在同一量子态上，费米子则与之相反，更像是“个人主义者”，没有任何2个费米子能拥有相同的量子态，凝聚“超凡”态自然无法实现。但是，现在事态有了转机，科学家又一次突破障碍，完成了“不可能的任务”。
在此之前，科学家已试探性地提出了理论解决方案——先将费米子成对转变成玻色子。但是，要从理论走向实验证实，则需要异乎寻常的努力和极为精致巧妙的设计，何况费米子凝聚条件比玻色子更加苛刻，本次研究的负责人、斯坦福大学应用物理学教授Benjamin Lev说，研究中最大的两个困难是造出64纳开的极端低温和生成强相关量子气体。
他们想到了镝。镝在周期表中是磁性最强的元素，镝的一种费米子同位素，其磁能量比以前的冷却气体要大440倍，镝原子间超强的双磁极作用使其能通过远程碰撞而冷却到所需的临界温度。经过一系列巧妙的实验设计，终于成功地造出世界上第一个双极量子费米子气体。
量子物质具有许多的奇特的“超凡”性质，会将基础物理推进到一个新的高度。科学家用玻色子量子气体，可以产生类似于超新星爆发的现象，甚至还可以模拟黑洞；费米子量子物质有望产生一种新的兼具“超流体”的“超固体”物态，还将为现在停滞不前的“常温”超导体研究带来新的研究曙光……科学家正不遗余力地做着相关实验，探索着这些隐藏在科学深处的奥秘。
说及“超凡物质”，就不能不提到石墨烯。石墨烯只有一个碳原子厚，却是迄今为止世界上强度最大、导电性最好的材料——具有超出钢铁数十倍的强度，非同寻常的导电性能比铜银更高，还有几乎完全的透光性。它的出现在科学界激起了巨大的波澜，也是2010年诺贝尔物理奖的获奖成果。现在，日本科学家制造出了它的“同胞姐妹”——只有一个原子厚的硅薄膜。
硅薄膜制作十分有趣。研究小组在2厘米长、1厘米宽的硅基板表面，覆盖上陶瓷薄膜，然后在特殊真空装置中将其加热到900摄氏度。于是，硅基板所含的硅元素就穿透陶瓷薄膜，出现在陶瓷薄膜表面，“自己”形成单原子厚的硅薄膜。不过到现在为止，他们还无法将单原子厚的硅薄膜“弄下来”。研究小组带头人、北陆尖端科学技术大学院大学副教授高村由起子就指出：“今后的课题是弄清单原子厚的硅薄膜的形成机制，并开发出将这种薄膜从基板上剥离下来的技术。” 联想到石墨烯的分离使用的非常简单的方法——用胶带剥离，确实是一个极具天才性的技术，希望硅薄膜的剥离也能如此巧妙创新。
科学界预计，石墨烯展示出“超凡”品质，有望在现代电子科技领域引发一轮革命，现在，“单原子硅薄膜”也横空出世，它又会带来怎样的冲击力，正受到物理学界的密切关注。
喜欢科幻电影“超人”的观众，对其中的一幕肯定并不陌生：超人来到北极的一个城堡，对着自己父母的虚拟影像，诉说自己的困惑，寻求心灵的慰藉和问题的解决之道。或许，这样的科幻场景正与我们的现实生活渐行渐近。
最近，国家标准技术研究院的科学家就用室温下的铷原子蒸气存储了两幅图像信息，且在需要时重播出来，就像一个只有两帧画面的小电影。研究人员指出，这是首次将两幅图像同时存储在非固体介质上，并能在需要时回放。
论文作者之一的Bauer Wright说，存储介质是一种充满了铷原子蒸气的狭长小容器，介质容器中任何位置的原子都会吸收图像信息。而信息能否被吸收，取决于这些原子是否处于3个精心设计的场中：图像读取则与此相反，使场翻转为原来的反方向，原子开始以相反的方向运动，最终这些原子重新发光，再次形成图像脉冲从介质容器中发射出来，完美地形成了一种“超凡”的物质存储，“超凡”物质的诞生，使得“超自然”都将成为“自然”，给我们带来了超乎想象的变化，物质的形态乃至生命的形态也正在随之而改变。使得一切都“皆有可能”。
2 “混沌”量子孕育清晰未来
提到量子理论，就没法绕过那只让人头疼不已的“薛定谔的猫”：“不透明的箱子里装着一只猫，然后把这个箱子连接到一个放有放射性原子核和装有有毒气体的容器的实验装置，而在打开箱子之前，猫既是死的，又是活的。”
这只挑战着人类智力上限的猫的确让人抓狂。就连拥有“当世最聪明头脑”的霍金也常常忍不住想把这只非死非活的猫“一把掐死”。但是，尽管量子理论如此不可理喻，但它还是被认为是科学史上最成功的、与实验结果符合最好的理论，过去，它直接导致了原子弹、核电的出现，而现在，它又在量子计算机、信息加密、高精度测量等方面大显身手，虽然现在我们只能从“混沌”的量子理论中理解很浅的一小部分，但仅仅这一小部分就足以掀起巨大的科学风暴。
目前，量子计算机是量子理论最激动人心的应用，因为相对于传统计算机，量子计算机的计算速度有着成千上万倍的提高。但是，由于对微观量子态的操纵实在太过困难，虽然各种解决方案层出不穷，但一直难以走入真正实用的阶段。不过，科学家付出的心血正使研究取得快速进展。
2012年3月，IBM的科学家就有了骄人的成绩：在量子计算中良好地保持了“机械特性完整性”，大大减少了基本运算的误差。
阻碍量子计算机发展的最大障碍之一，就是要设法控制“量子脱散”，即要努力消除热量、电磁辐射和材料缺陷等干扰因子导致的计算误差，为了解决这个问题，科学家们苦苦追寻了多年。而IBM将目光聚焦于一个独特的三维超导量子比特装置，使延长量子比特保持量子态的时间达到100微秒，这是此前纪录的2~4倍，而如果能够在足够长的时间内保持这种机械特性，就能找到有效的纠错手段，量子计算机便可长时间地进行稳定的复杂运算。正如IBM的科学家和研究小组负责人Matthias Steffen表示，“我们不仅仅只是做了一次引人注目的物理学实验，而是在实用化方面将量子计算带到了一个全新的疆界。”
“IBM的研制装置已经非常接近满足实用量子计算机最低要求的这一目标，使可靠的逻辑量子比特运算能够成为现实。”德国亚琛大学量子信息研究所的David DiVincenzo高度评价这一成果，而IBM研究性突破，也使未来研制量子计算机的乐观情绪快速高涨。
量子计算机中，另一个“重量级”的概念是“量子比特”。传统计算机数据处理的基础单元是“0”和“1”两种比特，而量子计算机是“量子比特”，它超越了“0”和“1”，是一个矢量，可以处于各种正交态的叠加态上，正是这些特殊的量子态，提供了量子并行计算的可能，计算速度之快令传统计算为之“汗颜”。
但是，以前量子比特仅能存在于既大又笨重的真空腔中，就连上述IBM的超导量子比特装置也不例外。而一个国际研究团队通过单个电子，使量子比特可在普通的半导体中生产出来，
研究人员使用外加电压，允许单个的电子的飞行轨迹先分叉，再重新结合，使每个电子可同时飞过两个可能的路径，当两个路径重聚在一起，两束电子波就会发生重叠态，产生出具有明确状态且适合信息编码的量子比特。而如果量子比特能如此简单方便地产生，意味着量子计算机又向实用化迈进了重要的一步。
而在量子信息加密领域，最近也有令人兴奋的进展。加拿大多伦多大学罗海光教授领导的研究小组发现，一种新的量子加密方法或可挫败那些“最老练”的黑客。
基于量子物理的测不准原理，美国科学家Wiesner于 1970年首先提出将量子理论用于密码术——当窃取者偷看光子束时、即在测量量子态的某个性质时，会使另一个性质受到扰动，从而就被探测到。量子加密原则上是一种阻止黑客的万无一失的方法，但是接收量子密钥的光子探测器却是其“阿喀琉斯之踵”：它会在不经意间受到“量子黑客”的难以捉摸的“旁门左道”式攻击。
现在，罗教授想出了一个简单的解决方案，被称为“与测量设备无关的密钥分配系统”，即虽然黑客也能操作光子探测器并发布数据，但用户之间不再信任这些数据；相反，他们仅需简单地测量和比较自己的数据即可验证黑客的存在。目前，罗教授及其团队已完成概念验证测试，预计在5年内开发出一套“与测量设备无关的密钥分配系统”原型，以便牢牢关住这扇为黑客留下的“后门”。
而在不久前，美国匹兹堡大学的研究人员也为量子理论的实际应用做出了贡献：被誉为计算“动力”的量子计算或许也可应用于高精度测量领域中。
传统的磁共振成像技术由于有“共振”的技术限制，在扫描“分子”层面时便会失效，科研人员利用量子计算的方法避开了硬件上的不足，研发出纳米级的磁共振设备，可将场强和精度之间的比例提升10%。更让人惊异的是，它能够以“非侵入”的方式，研究分子、材料和细胞等的属性，而之前类似研究所采用的方法都会破坏样本。研究者之一的Guludefu Dart兴奋地表示，“这对于我们理解分子或活体细胞等具有直接影响。我们的工作显示量子计算也可以超越纯电子设备领域。”
尽管已经走过百年历史，解释“微观世界”的量子理论还有无数的谜尚待解开，很多实验物理学家至今还在验证这一理论在80年前所做的基本假设，但是，它在实践中获得的成就却令人吃惊，迄今所有实验都肯定了量子力学的正确性。无论如何，作为现代物理学两大基石之一的量子理论，已被历史推上了锐不可当的开路先锋的位置，期待着风生水起的远大前景。
3 “量子漫步”让未来提前到来
当一项重大的科学突破出现时，科学的进程常常因此而加速。
2010年9月17日，美国Science杂志以“双光子的量子漫步”为内容，报道了量子计算机研究领域的新进展。领导这项研究的美国布里斯托尔大学量子光学中心主任Jeremy OBrien教授兴奋地宣布：“过去科学界普遍认为，量子计算无法在25年内实现，但现在我们相信，利用新的光子芯片技术，超越传统计算机的量子计算机10年之内就可能诞生。”
超越传统计算机的量子计算机是当今最令人激动的、期待突破的科学领域，世界各地的许多实验室正在以巨大的热情追寻着这个梦想，它的一举一动都挑逗着科学界的敏感神经，而这一刻，荣誉归于Obrien的团队。在实验中，他们成功地让两个完全相同的光子“走”过一个硅芯片上的电路网，从而完成了“双光子的量子漫步”（Quantum Walk）。“量子漫步”从单光子到双光子是一个巨大的跨越，双光子系统的计算能力将比单光子得到指数级提高。接下来，科学家还要在这种光子芯片上进行三光子甚至多光子的“量子漫步”，而更多光子的“量子漫步”能为人类解决不计其数的难题。
迄今为止，世界上还没有真正意义上的量子计算机。按照国际量子信息学界顶级专家Charles H. Bennett的说法，现在的量子计算机充其量只是一个玩具，真正做到有实用价值的也许是5年、10年，甚至是50年以后，Obrien的实验成果无疑改写了量子计算机发展史的时间表，让“未来提前到来”。
而另一项研究成果“单分子激光制冷首次达到接近绝对零度”，也许还会将这一时间加速。据英国Nature杂志网站2010年9月19日报道，美国耶鲁大学的科学家Edward Shuman和David DeMill使用激光，把分子冷冻到接近绝对零度，这是单分子激光制冷首次达到这样的低温，最终超冷材料将应用在量子计算机上。因为超冷分子具有“磁体”特征，能执行分类量子计算，可能会突破现有计算机的编码和解码问题，实现量子重叠与牵连原理产生的巨大计算能力。
在20世纪70-80年代，物理学家就能将原子冷却到非常接近绝对零度的低温。原子本身也会黏在一起形成一种“超级原子”，会遵守特殊的量子力学定律。对分子制冷要比对单个原子更加复杂。Shuman和DeMill选用氟化锶，使分子在同一方向上实现整体制冷，为量子计算机提供了新的方案前景，使量子计算机未来的形势逐渐拨云见日，方向更加明朗。
