馬特·特魯斯海姆在黑暗的實驗室裡撥動一個開關，一道強烈的綠色雷射照亮了一塊微小的鑽石，這塊鑽石被固定在顯微鏡物鏡下方。電腦螢幕上出現了一個影像，一個模糊的綠色雲團，點綴著更亮的綠點。發光的點是鑽石中的色心——微小的缺陷，其中兩個碳原子被一個錫原子取代，將透過的光線從一種綠色陰影轉變為另一種。
稍後，這顆鑽石將被冷卻到液氦的溫度。透過在原子層面上控制鑽石的晶體結構，將其降至接近絕對零度幾度的溫度，並施加磁場，麻省理工學院物理學家德克·英格倫德運營的量子光子學實驗室的研究人員認為，他們可以選擇光子和電子的量子力學特性，使其精確到可以傳輸牢不可破的密碼。
特魯斯海姆是該實驗室的博士後研究員，他是眾多試圖弄清楚究竟哪些原子嵌入哪些晶體在什麼條件下會給他們那種控制權的科學家之一。實際上，世界各地的科學家都在努力解決在原子及以下水平（直至電子甚至電子分數）控制自然的難題。他們的目標是找到控制物質和能量基本屬性的旋鈕，並轉動這些旋鈕來定製物質和能量，創造出超強量子計算機或在室溫下工作的超導體。
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這些科學家面臨兩個主要挑戰。在技術層面上，這項工作極其困難。例如，一些晶體必須在比太空更空曠的真空室中製造成純度達到99.99999999%。更根本的挑戰是，這些研究人員想要利用的量子效應——例如，粒子同時處於兩種狀態的能力，類似於薛定諤的貓——發生在單個電子的層面上。在宏觀世界中，魔法消失了。因此，在最小尺度上操縱物質的研究人員正試圖誘導自然以違反基本物理學極限的方式表現。他們在多大程度上取得成功將有助於決定我們在未來幾十年中的科學理解和技術能力。
鍊金術士的夢想
在很大程度上，操縱物質就是控制電子。畢竟，材料中電子的行為決定了其整體性質——物質是金屬、絕緣體、磁體還是其他物質。一些科學家正試圖改變電子的集體行為，以創造所謂的量子合成材料。羅格斯大學物理學家伊娃·安德烈在最近的一次會議上斷言，研究人員設想“我們可以將絕緣體變成金屬或半導體，並將其變成超導體。我們可以將非磁性材料變成磁性材料”。“這真的是鍊金術士夢想成真。”
這個夢想可能會帶來真正的突破。例如，研究人員幾十年來一直試圖創造室溫超導體，這種材料可以產生諸如不損失任何能量的輸電線路等創新。在1957年的一項突破中，物理學家約翰·巴丁、利昂·庫珀和約翰·羅伯特·施裡弗證明，當鋁等金屬中的自由電子排列成所謂的庫珀對時，就會產生超導性，這為他們贏得了1972年的諾貝爾獎。即使它們相距相對較遠，每個電子都與另一個具有相反自旋和動量的電子配對。就像擁擠的迪斯科舞廳裡的情侶跳舞一樣，即使其他電子介於它們之間，配對電子的運動也是相互協調的。
這種排列允許電流以零電阻流動透過材料，因此沒有損耗。迄今為止開發的最實用的超導體必須冷卻到接近絕對零度幾度的溫度，這種狀態才會出現。**
然而，最近研究人員發現，用高強度雷射照射材料也可以將電子敲入庫珀對，即使只是短暫的。德國漢堡馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所的安德烈亞·卡瓦萊裡和他的同事發現了金屬和絕緣體中光致超導性的跡象。照射材料的光會使原子振動，導致電子短暫進入超導狀態。“震動需要非常劇烈，”加州理工學院的凝聚態物理學家大衛·謝說，他使用相同的雷射技術在其他材料中誘導不尋常的量子效應。“瞬間，電場非常強——但它只持續很短的時間，因此不會傳遞那麼多熱量。”*
為了防止雷射汽化材料，謝使用持續時間僅為幾十或數百飛秒的脈衝照射它。（一秒鐘內的飛秒數與3200萬年中的秒數一樣多。）不幸的是，由此誘導的超導性持續時間不長。追求類似工作的研究人員面臨的挑戰是弄清楚如何使這種效應持續足夠長的時間以供使用。謝在談到這項研究和其他量子材料研究時說：“我們試圖做的是構想出主體化合物，即使當你在談論一大批電子時，通常侷限於單個粒子的量子力學怪異性仍然保留。”
牢不可破的密碼
控制電子也是特魯斯海姆和英格倫德希望開發牢不可破的量子加密的方式。在他們的情況下，目標不是改變材料的性質，而是與傳輸密碼金鑰的光子共享其工程鑽石中電子的量子性質。在英格倫德實驗室的鑽石色心中晃動的是自由電子，其自旋可以透過用強磁場探測來測量。與磁場對齊的自旋可以稱為自旋 1，而未對齊的自旋是自旋 2——相當於數字位元的 1 和 0。“它是一個量子粒子，所以它可以同時處於兩種狀態，”英格倫德說。這使其成為量子位元，或量子位，能夠同時進行多次計算。
這就是一種稱為量子糾纏的神秘性質發揮作用的地方。想象一個盒子，裡面裝著一個紅球和一個藍球。你可以不看就伸手進去，拿出一個球放在口袋裡，然後穿過城鎮。然後你從口袋裡拿出球，發現它是紅色的。這立即告訴你盒子裡的球是藍色的。這就是糾纏。這種效應轉化為量子領域，可以瞬時且跨越遙遠距離傳輸資訊。
英格倫德實驗室鑽石中的色心透過糾纏將其中包含的電子的量子態轉移到光子上，從而建立了英格倫德所稱的“飛行量子位”。與標準光通訊一樣，光子可以傳輸到接收器——在本例中是另一個鑽石空位——並且其量子態轉移到新的電子，因此兩個電子變得相關。這種糾纏位元的傳輸允許兩個人共享密碼金鑰。“每個人都有一串 0 和 1，或自旋的向上和向下，在本地看起來是隨機的，但它們是相同的，”英格倫德說。使用該金鑰作為他們傳送的其他資料的乘法因子，使他們能夠安全地通訊。如果竊聽者攔截了傳輸，傳送者就會知道，因為測量量子態的行為會改變它。
英格倫德正在試驗一個量子網路，該網路透過光纖在他自己的實驗室、哈佛大學附近的一個設施以及麻省理工學院林肯實驗室（位於附近城鎮萊剋星頓）之間傳送光子。研究人員已經成功地在更遠的距離上傳輸量子密碼金鑰——2017年，中國科學家報告說，他們已經從地球軌道上的一顆衛星向西藏山區相距1200公里的兩個地面站傳輸了這樣的金鑰。但中國實驗的位元率太低，無法用於實際通訊：研究人員在六百萬個糾纏對中僅檢測到一個。將使地面量子密碼網路實用的創新是量子中繼器——放置在整個網路中的間隔裝置，可在不干擾其量子特性的情況下增強訊號。英格倫德的目標是找到具有恰到好處的原子缺陷的材料，以形成這些量子中繼器的核心。
訣竅是製造足夠的自旋糾纏光子來傳輸資料。氮空位中的電子將其自旋狀態保持很長時間——大約一秒鐘——增加了透過的雷射產生糾纏光子的機會。但是氮原子很小，它不能填滿缺失的碳原子產生的空間。這種錯配會導致後續光子的顏色略有不同，因此它們不再相互匹配。其他原子，如錫，可以舒適地嵌入併產生穩定的波長。但是這些原子不能長時間保持其自旋——因此，這項工作仍在繼續尋找完美的平衡。
分裂的末端
當英格倫德和其他人與單個電子作鬥爭時，一些科學家正在更深入地潛入量子世界，並試圖操縱電子的微小分數。這項工作起源於1982年進行的一項實驗，當時貝爾實驗室和勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室的科學家將兩層不同的半導體晶體夾在一起，冷卻到接近絕對零度，並施加強磁場，將電子捕獲在兩層晶體之間的介面平面上。這種排列創造了一種量子湯，其中任何給定電子的運動都受到它從其他電子感受到的電荷的影響。“它們實際上不是獨立的粒子，”普渡大學量子半導體系統小組的負責人邁克爾·曼弗拉說。“你可以想象一場芭蕾舞，每個舞者不僅僅是在做自己的事情，而且他們還在回應他們的舞伴或其他舞者的動作。存在這種廣義的反應。”
圖片來源：Jen Christiansen
這個集合的奇怪之處在於它可以具有分數電荷。電子是一個不可分割的單位——你不能將一個電子切成三分——但正確狀態下的一組電子可以產生一個具有 1/3 電荷的所謂準粒子。“這就像電子被分數化了，”馬里蘭大學和國家標準與技術研究院之間的研究合作伙伴關係——聯合量子研究所的物理學家穆罕默德·哈菲茲說。“這非常奇怪。”哈菲茲在超冷石墨烯（單原子厚的碳片）中創造了這種效應，他最近表明，他可以透過用雷射照射石墨烯來操縱準粒子的運動。“現在它是可控的，”他說。“現在我擁有的外部旋鈕，如磁場和光，可以上下調節。因此，集體狀態的性質發生了變化。”
操縱準粒子可以建立一種特殊的量子位元——拓撲量子位元。拓撲學是數學的一個分支，研究即使物體被扭曲或變形也不會改變的物體性質。標準的例子是甜甜圈：如果它是完全彈性的，你可以將其重塑成咖啡杯，而不會改變任何本質的東西；甜甜圈的孔將承擔起杯子把手開口的新角色。然而，要將甜甜圈變成椒鹽捲餅，你必須在其中戳出新的孔，從而改變其拓撲結構。
拓撲量子位元即使在不斷變化的環境條件下也能保持其特性。通常，粒子在受到環境中某些東西（例如熱引起的微小振動）的干擾時會改變其量子態，或“退相干”。但是，如果你用兩個準粒子（例如在奈米線的兩端）分開一定距離來製造量子位元，那麼你基本上是在分裂一個電子。“兩半”都必須經歷完全相同的擾動才能退相干，而這種情況不太可能偶然發生。
這種特性使拓撲量子位元對量子計算機具有吸引力。由於量子位元能夠同時處於多種狀態的疊加態，量子計算機應該能夠執行其他方面不可能進行計算密集型任務，例如模擬宇宙大爆炸的物理學。事實上，曼弗拉是微軟在全球範圍內構建基於拓撲量子位元的量子計算機的努力的一部分。還有其他可能更容易的方法。例如，谷歌和IBM正在研究基於超冷導線成為半導體或真空室中被雷射捕獲的離子化原子的量子計算機。這些方法的缺點是，與拓撲量子位元相比，它們對環境擾動更敏感，尤其是隨著量子位元數量的增加。
因此，拓撲量子位元可能預示著我們在操縱微小事物能力方面的一場革命。然而，存在一個重大問題：它們尚不存在。研究人員正在努力用一種名為馬約拉納粒子的物體來構建它們。埃託雷·馬約拉納在1937年假設了這種粒子，這種粒子是其自身的反粒子。電子及其反粒子——正電子，除了電荷外，具有相同的性質，但馬約拉納粒子的電荷為零。
科學家們認為，電子和空穴（電子的缺失）的某些配置可以像馬約拉納粒子一樣表現。反過來，這些粒子有一天可能會被用作拓撲量子位元。2012年，荷蘭代爾夫特理工大學的物理學家列奧·庫文霍溫和他的同事們在超導和半導體奈米線網路中測量到了似乎是馬約拉納粒子的東西。儘管如此，馬里蘭大學帕克分校凝聚態理論中心的桑卡·達斯·薩爾馬認為，實際證明這些準粒子存在的唯一方法是用它們構建拓撲量子位元。
然而，該領域的其他專家持樂觀態度。“我認為毫無疑問，最終會有人制造出拓撲量子位元，只是因為這樣做很有趣，而且他們會弄清楚如何做到，”牛津大學凝聚態理論學家史蒂夫·西蒙說。“最大的問題是，這是我們未來構建量子計算機的方式嗎？”
量子計算機——以及高溫超導體和牢不可破的量子加密——可能還需要多年才能實現，或者它們可能永遠無法實現。但與此同時，研究人員將繼續努力掌握最小尺度上的自然。科學家們還不知道他們能走多遠。他們已經走得非常遠了，但他們走得越遠，大自然的反抗就越強烈。
*編者注（5/15/18）：本段已在釋出後編輯。原文錯誤地指出，加州理工學院的大衛·謝在一種稱為莫特絕緣體的材料中創造了光致超導性，這種材料在非常低的溫度下會變成絕緣體。德國漢堡馬克斯·普朗克物質結構與動力學研究所的安德烈亞·卡瓦萊裡和他的同事發現了金屬和絕緣體中光致超導性的跡象。謝使用相同的雷射技術在其他材料中誘導不尋常的量子效應。
**編者注（5/23/18）：這句話在釋出後進行了編輯，因為它錯誤地將冷卻到接近絕對零度的超導體稱為迄今為止開發的唯一實用的超導體。雖然它們具有實際應用，但在更高溫度下表現出超導性的版本已被廣泛使用。
本文是特別報告“科學中最重大的問題”的一部分，由卡夫利獎贊助。它由《大眾科學》和《自然》編輯獨立製作，他們對所有編輯內容負全部責任。