神通广大的量子技术：上天入地、治疗疾病

Pierre Henriquet

核物理学博士、瞰创新专栏撰稿人

随着“第一次量子革命”成就日新月异，我们不禁要问：量子物理学对我们的日常生活有着怎样深远的影响？从激光到电子产品，从LED照明到核医学，一切都植根于量子科学。然而，量子物理学的未来又将如何塑造我们的生活？本文将揭示“第二次量子革命”的前沿成果，探讨自旋电子学、量子传感器以及医药领域的新应用。是什么让自旋电子学在电子元件领域如此引人瞩目？“物质波显微镜”如何让我们窥探微观世界？在医药领域，量子化学将如何推动更快、更有效的药物开发？

首次量子革命让量子物理学走进日常生活，第二次量子革命则有望让工业突飞猛进。

自旋电子学的基本理念是操纵电子的自旋（而非电子的电荷），按此原理设计新产品，能大大降低元件的功耗。

量子现象是多种传感器的基础，使它们能够以超高的分辨率测量微小信号，从而开辟了新的应用领域。

此类传感器的应用非常丰富：在地球科学、生命科学、惯性导航中皆有用武之地。

通过对药物分子与生物受体相互作用的“量子化学”研究，推动了医学领域的显著进步。

“第一次量子革命”期间，一大批新发现涌现：激光、电子产品、LED 照明、光伏板、核医学…这些如今司空见惯的设备与技术，其实深深地植根于量子物理学。可以说，量子物理学早已成为日常生活的一部分。若不是对原子尺度物质规律的深刻理解，对基本粒子行为、物质与光相互作用的研究成果，上述技术不可能存在。

但量子力学的未来仍大有可期：前沿成果不断呈现，“第二次量子革命”或许即将拉开序幕。随着人类对超微观世界的掌控进入新阶段，人类的生活方式、通讯方式乃至认识世界的方式都将发生巨变。通过本文，让我们来看看量子物理的最新应用吧。

01

自旋电子学：未来的电子产品

对电子流愈发精细的控制，使电子产品的尺寸空前地缩小。2021年，IBM宣布开发出由2纳米晶体管制成的芯片，密度为每平方毫米3.33亿个晶体管。

除了带电荷之外，电子还有另一个属性：“自旋”。这是一个量子量，在经典物理中不存在对等的概念，但与“磁矩”有些许类似。简单来说，可以把电子视为一个会自转的微小磁铁。自旋电子学的基本理念是操纵电子的自旋（而非电子的电荷），按此原理设计新产品，能大大降低元件的功耗。

自旋电子学已广泛应用于电子元件研发，催生了新型计算机硬盘数据读取技术（其开发者因此获得了2007 年诺贝尔物理学奖），也运用于汽车、机器人磁传感器中。

“自旋电子学已广泛应用于电子元件研发，催生了新型计算机硬盘数据读取技术。”

当前，电子设备的微型化已达到前所未有的境地，基础元件的尺寸迅速趋近于仅存数个原子的微小范畴，使元件的特性彻底量子化。为了读写如此小的存储器，来自法国萨克雷辐射物质研究所 (IRaMiS) 的一个团队将目光聚焦在一种特殊的化学物质上：四苯基铁卟啉（FeTTP）——它通常存在于血红蛋白中，负责输送氧气[1]。

学者们将FeTTP沉积在石墨烯（只有单个原子厚的碳层）上，发现可以轻松地改变其自旋，由此构成了一种新的单分子自旋读/写机制，比现有的存储器更小、更节能。

与此同时，巴黎萨克雷大学纳米科学和纳米技术中心正在利用自旋电子学改进人工智能系统，使之更加灵活[2]。在传统的计算机中，基本信息以0或1的形式进行编码。新的自旋电子系统可以在二进制代码中引入细微差别，例如“0+”或“1-”状态，并将这种“模糊”逻辑集成到二进制代码中，以构建人工神经网络，使其运作方式将更像人类大脑中的有机生物神经元。

02

量子传感器：测量不可测量的事物

量子现象是多种传感器的基础，使它们能够以超高的分辨率测量微小信号，从而开辟了新的应用领域。

显微镜的分辨率极限，由所用光的特性决定。一般来说，想要观测到小于该光波长的物体是不可能的。在可见光范围内，波长约为500纳米。

在量子物理学中，有一个称为“波粒二象性”的原理：量子物体（微观粒子、原子等）会同时表现出粒子和波的特质，因此也具有波长，可用于构建“物质波显微镜”。原子波动性的波长比光的波长短一百万倍，因此测量能力能比普通光学显微镜强一百万倍。

“借助波粒二象性开发的‘物质波显微镜’，测量能力能比普通光学显微镜强一百万倍。”

原子干涉的惯性传感器正是利用微观物质的波粒二象性而构建。此类传感器的应用非常丰富：在地球科学中通过测量局部重力场的变化来检测浮油，在生命科学中测量单个细胞发出的电场或磁场，还能在地球上或在太空中进行惯性导航。

2022年《自然》刊登的一篇论文提出，可以使用此类惯性传感器观测自由落体原子的量子行为，以超高精度测算地球重力场中的细微差异，由此绘制地下结构图。

图片来源：PI France - 分辨率为 0.5 m 的重力测绘模拟图 [3]

03

医药领域的量子力学

量子力学在制药业中的应用由来已久。

药物发挥药效，是因为药物分子能与体内受体结合。有一门叫做“量子化学”的学科，专门研究药物分子与生物分子的相互作用机理。

药物上市之前必须经过一系列的测试和临床试验，往往耗时十年以上。期间，开发者会使用“虚拟高通量筛选”——让复杂的算法并行模拟上千种活性分子对受体产生的效果。

数字模拟工具有利于我们了解纳米级的活性分子如何与其他物质形成化学联结，但所涉及的计算极为复杂，且需要在短时间内产生结果。因此，未来的新型算法必须依赖于量子力学和量子化学原理。

在法国，一家名为Qbit Pharmaceuticals的初创公司正采用神经网络、超级计算机、量子计算机技术研发新一代算法，旨在未来更快、更有效地开发药物[4]。

作者

Pierre Henriquet

编辑

Meister Xia

1. https://www.cea.fr/drf/Pages/Actualites/En-direct-des-labos/2022/spintronique-moleculaire-identification-dun-dispositif-prometteur.aspx

2. https://www.universite-paris-saclay.fr/actualites/la-spintronique-seduit-lintelligence-artificielle

3. https://www.nature.com/articles/s41586-021–043153

4. https://www.rtflash.fr/physique-quantique-service-pharmacologie1/article