第三節(jié) 量子感知的世界

現(xiàn)代量子生命的三要素

2013年4月，喬治亞理工學(xué)院的王中林帶領(lǐng)的一個團隊，找到一種方式將這種壓力發(fā)電的原理用于創(chuàng)造一種細微調(diào)整的電子觸覺。壓電效應(yīng)指的是對晶體和其他固體材料施加機械壓力時產(chǎn)生的某種電荷。王中林說道：“這種技術(shù)突破能夠使機器人更像它們的創(chuàng)造者。當我們?nèi)祟惤佑|的火的時候，我們知道它是熱的。而這項技術(shù)能夠使機器人擁有人類的感覺，換句話說，就是使機器人更像人類。”

除了使機器人具備人類的敏感度和計算機的精密度之外，這項技術(shù)還能夠被用于高精密度的修復(fù)學(xué)和“智能”生物醫(yī)學(xué)治療。這是一種智能材料，能夠使物質(zhì)產(chǎn)生感知，當然這種感知與人類的感知還是有區(qū)別的。那么在真實的生命與物質(zhì)之間，界限到底是什么，那么我們可以從量子角度更多看待生命問題。

正如富勒烯的特性一樣，不同的量子結(jié)構(gòu)，就會產(chǎn)生不同的現(xiàn)象，量子具有很多神奇的效果。量子似乎是生命與物質(zhì)的分界線，量子是一種從物質(zhì)到生命的中間狀態(tài)，宇宙演化中，從量子開始，一方面向物質(zhì)演化，一方面向生命演化。

蛋白質(zhì)病毒是一種奇怪的病毒，因為傳統(tǒng)上認為，基因DNA或者RNA才是遺傳物質(zhì)，而蛋白質(zhì)病毒能夠復(fù)制，繁殖。我們會提出疑問，蛋白質(zhì)在細胞與生物體中的作用是傳統(tǒng)的定義嗎。而近幾年全球科學(xué)家們開始重新關(guān)注并熱衷研究表觀遺傳學(xué)、表觀遺傳學(xué)的重點核心就是生物可以不通過DNA而在下一代進行遺傳的現(xiàn)象。這會讓我們提出質(zhì)疑，就是在生命及遺傳中誰是核心。

科學(xué)家在動物非生殖克隆中，掏空母體卵細胞中的DNA，然后注入克隆對象的體細胞DNA進行生長。這種克隆不能把DNA移植到普通去除DNA的細胞中。克隆說明生物成長環(huán)境需要的一個不僅僅是去除基因DNA的細胞，而需要一個特別的全息的母卵細胞蛋白質(zhì)環(huán)境（細胞中除了DNA其他大部分是各種蛋白質(zhì)物質(zhì)）。同時科學(xué)家在克隆魚的時候，借助另一種魚的卵細胞進行克隆，克隆成活的魚經(jīng)常會同時體現(xiàn)出兩種魚類的外貌特征，這說明蛋白質(zhì)在遺傳中的作用可能被科學(xué)家們忽略了。遺傳物質(zhì)染色體除了關(guān)鍵的DNA外，染色體其實是核小體組成的，核小體就是有DNA按照非常精確的尺寸包裹著組蛋白質(zhì)組成。

染色體結(jié)構(gòu)說明，蛋白質(zhì)是DNA中的內(nèi)層結(jié)構(gòu)，應(yīng)該在遺傳記憶中占據(jù)更重要的位置。人類及動物大腦的記憶，很多時候與蛋白質(zhì)有關(guān)系。那么我們會問，蛋白質(zhì)，DNA是有機分子組成的，有機分子有量子組成，量子有沒有記憶呢？答案是肯定的！

從物質(zhì)角度講，量子物質(zhì)世界向生命世界演化，應(yīng)該需要如下三個要素：

第一，物質(zhì)系統(tǒng)感知能力與多量子協(xié)調(diào)能力。

第二，量子記憶能力。

第三，分子的自我組織性。

首先，系統(tǒng)感知力與多量子協(xié)調(diào)能力是生命需要的必要基礎(chǔ)，因為只有物質(zhì)在有整體感知，內(nèi)部協(xié)調(diào)信息互通的情況下才能形成構(gòu)成生命基礎(chǔ)的第一步，感知與應(yīng)激是生命的重要特征。而在物質(zhì)向生命演化過程中，物質(zhì)的整體感知力與內(nèi)部多分子的協(xié)調(diào)能力至關(guān)重要。

其次，建立在客觀量子糾纏基礎(chǔ)上的物質(zhì)的記憶特征，是物質(zhì)得以復(fù)制，自我組裝的驅(qū)動力。量子形成的物質(zhì)，在適度環(huán)境下具備了生命的基礎(chǔ)條件，當環(huán)境改變，就會形成一種進化特征。

最后，物質(zhì)的自我組織性，是物質(zhì)向生命演化繁殖的基本條件。而我們要探索物質(zhì)的這幾種特性就是為了證明物質(zhì)與生命來源的一體化。

我們已經(jīng)知道，氨基酸與有機分子從46億年前的太陽系形成之前，就已經(jīng)存在于太空中，在漫長的演化中，原始星云有機分子，一直保留在地球大氣層中，或者彗星與小行星隕石當中，在地球形成開始，就有很多彗星與隕石不斷飛向地球。

在地球形成漫長歷史中，由于雷電，狂風(fēng)，地球火山不斷噴發(fā)，水從巖石中不斷滲出。由于地球運動非常激烈，火山與包含著水的泥漿混合噴涌，地球表面或者深處，大量有機分子與泥土混雜一起，有機分子具有聚合球形效應(yīng)，很容易形成生命層級的自我感知系統(tǒng)。而且由于這些有機分子的糾纏與協(xié)調(diào)能力，使聚會一起的很多分子，在一個廣泛的范圍內(nèi)形成一種協(xié)作能力，使光或者熱能的吸收，能量分配，能夠協(xié)調(diào)完成。一旦形成這種協(xié)調(diào)能力，量子物質(zhì)就會記錄下來，生命的形成不是有機分子單獨完成的，而是多種有機分子團聚成自感系統(tǒng)并在量子記憶基礎(chǔ)上多分子協(xié)調(diào)而成的，而分子組裝本身就是量子的本性。

有機分子與無機化學(xué)的分子領(lǐng)域，有各種反應(yīng)，各種的復(fù)雜性，而對于這些互相交錯的反應(yīng)，因為不同的環(huán)境，比如光的條件、電磁條件、溫度條件、催化劑條件、時間效應(yīng)等環(huán)境不同而不同。物質(zhì)的量子與分子層面的團聚合屬于物質(zhì)的天性，也有其規(guī)律延續(xù)性，不同分子層面的組合，不同的分子疊加，就會屏蔽外部的干擾，使內(nèi)部能夠因為量子糾纏而協(xié)調(diào)起來。雖然以下證明只單獨證明了粒子物質(zhì)的感知力、協(xié)調(diào)力、記憶能力、與自組性。但是對于分子層面中，物質(zhì)多層面的疊加聚和，和對于物質(zhì)來講其具有這幾個方面的共性，就是感知協(xié)調(diào)力、記憶能力和自我組織性。這是物質(zhì)本身具有的三個狀態(tài)，在多分子疊加后就能夠順理成章地一體化了。

第一，系統(tǒng)感知力與多量子協(xié)調(diào)能力的證明

2013年10月，美國加州大學(xué)伯克利分校的泰倫斯·狄肯（Terrence Deacon）在近期的一次演講中認為：生命最初開始的非常簡單，它不可能產(chǎn)生于復(fù)雜的多個分子結(jié)合。在此之前一定有一步先創(chuàng)造了這些分子本身。

生命形成之前必須克服的一個棘手問題便是產(chǎn)生秩序。秩序可以在局部創(chuàng)造，即使整個系統(tǒng)傾向于混亂，但通過系統(tǒng)加熱可以重新組織秩序，例如當均勻加熱稀薄油層形成貝納德對流晶格時，就會創(chuàng)造一種規(guī)則的六邊形樣式。

泰倫斯·狄肯（Terrence Deacon）認為：如果你加熱某事物后它變得規(guī)則化，那么它要做的就是盡快擺脫這種熱。如果你不持續(xù)向系統(tǒng)里輸送熱量，它就會自我關(guān)閉。事實上，自我組織的系統(tǒng)盡快毀壞保持組織秩序的一切條件。生命只可能在秩序產(chǎn)生后才能形成，但它必須保證秩序不會降級且系統(tǒng)不會最終自我毀滅。

英國諾丁漢大學(xué)物理與天文學(xué)院教授邁克爾·史密斯博士聯(lián)合愛丁堡大學(xué)與都靈理工學(xué)院的研究人員，共同發(fā)現(xiàn)了一種性質(zhì)奇異的“合成液體”，其在重擊之下，會像固體一樣粉身碎骨，而慢慢傾斜之后，又可如液體一般流淌。該研究成果刊登在英國《自然·通信》雜志上。史密斯博士介紹說，在低速條件下，該物質(zhì)表現(xiàn)出液體的流動性，而在高速度和高濃度的狀態(tài)下，就會如固體一樣粉碎。這就好比在一杯水中倒入一大勺玉米淀粉，如果攪拌得足夠快，溶液中的高密度顆粒便會彼此相融而形成緊固的糊狀物。更令人驚異的是，在即將變成固狀之前，該液體還會呈現(xiàn)出具有橡皮筋般彈性的細絲形態(tài)。

另外，英國《納米通訊》雜志刊登了一則“石墨烯具有自我修復(fù)的能力”的報告。石墨烯是只有一層碳原子的世界上最薄的材料，科學(xué)家們?yōu)樘剿魇┰陔妼W(xué)方面的特性，讓石墨烯薄層與金屬不斷接觸，這個過程在石墨烯薄層上造成了許多孔洞。研究人員用電子顯微鏡觀察這些孔洞發(fā)現(xiàn)，孔洞中可能會嵌入金屬原子，但如果孔洞周圍還存在額外的碳原子，這些碳原子會將金屬原子“趕”出來，自己則嵌入孔洞之中，并與石墨烯薄層中原有的碳原子相連接，使整個石墨烯薄層修復(fù)如初。研究人員認為，這一現(xiàn)象說明石墨烯具有良好的自我修復(fù)能將可以提高石墨烯的應(yīng)用價值，進一步拓寬這種“神奇材料”展示身手的舞臺。

關(guān)于量子的協(xié)調(diào)能力，也可以從離子體態(tài)和玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)上體現(xiàn)出來。

離子體態(tài)是指被激發(fā)的電離氣體電離到一定程度后，便處于導(dǎo)電狀態(tài)。這種狀態(tài)的電離氣體表現(xiàn)出集體行為，即電離氣體中每一帶電粒子的運動都會影響其周圍帶電粒子，同時也受其他帶電粒子的約束。因為電離氣體內(nèi)正負電荷數(shù)相等，所以電離氣體整體表現(xiàn)出電中性，這種氣體狀態(tài)被稱為等離子體態(tài)。由于它的獨特行為與固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)都截然不同，故稱為物質(zhì)第四態(tài)。

玻色—愛因斯坦凝聚態(tài)是物質(zhì)的一種奇特的狀態(tài)，處于這種狀態(tài)的大量原子的行為像單個粒子一樣。這里的“凝聚”與日常生活中的凝聚不同，它表示原來不同狀態(tài)的原子突然“凝聚”到同一狀態(tài)，要達到該狀態(tài)，一方面需要物質(zhì)達到極低的溫度，另一方面還要求原子體系處于氣態(tài)。這需要讓電子處于一種相互關(guān)聯(lián)的狀態(tài)中，一個電子上的變化立刻會由其他電子反映出來。

在室溫下，電子就像臺球會相互撞擊，遵守經(jīng)典力學(xué)法則。而隨著溫度不斷降低，電子會平靜下來并意識到臨近電子的出現(xiàn)。接著，電子們可能就會集體行動，而這種集體行為則遵守量子力學(xué)法則。電子們進行著一種復(fù)雜的“舞蹈”，它們都試圖呈現(xiàn)最好的排列方式，讓其達到最低能級狀態(tài)并最終形成新的模式或基態(tài)。

同時在量子熱力學(xué)上還有一個“普適狀態(tài)”。在正常的量子系統(tǒng)中，決定粒子運動的是它們的類型（如原子、質(zhì)子等），而在由強相互作用粒子（如費米子）形成的系統(tǒng)中，粒子的運動并不取決于它們的類型，這種運動狀態(tài)就是“普適狀態(tài)”。一個由澳大利亞科學(xué)家和中國科學(xué)家組成的研究小組利用費米氣體的研究成果，證實了量子熱力學(xué)的“普適狀態(tài)”。

另外據(jù)美國物理學(xué)家組織網(wǎng)2013年8月15日報道，美國科學(xué)家揭示了物質(zhì)的量子狀態(tài)自旋液體的存在機理，這有望加深科學(xué)家對超導(dǎo)性的理解。

自旋液體不是人們能觸摸到的物質(zhì)，它像一個有序排列的原子陣列內(nèi)的磁無序狀態(tài)。自旋是所有磁現(xiàn)象的關(guān)鍵，例如在鐵磁鐵中，原子自旋采用同樣的方式排列。而在反鐵磁鐵中，原子的自旋方向會上下改變，20世紀80年代發(fā)現(xiàn)的高溫超導(dǎo)材料就是如此。

科學(xué)家們表示，可能存在著更復(fù)雜、更令人感興趣的磁排列，它可能會產(chǎn)生量子自旋液體。比如有一個等邊三角形的反磁鐵，每個角上都有一個原子自旋，其中一個自旋向上，一個自旋向下，那么第三個原子采用什么方向自旋呢？它不可能同時與前兩個方向相反，因此物理學(xué)家用“挫敗”來描述所有需求無法得到滿足的情況。這種“挫敗”現(xiàn)象隨處可見，一個“挫敗”自旋系統(tǒng)的妥協(xié)是同時存在很多自旋方向，量子系統(tǒng)允許出現(xiàn)這種疊加狀態(tài)。

在新實驗中，科學(xué)家們研究了當“挫敗”現(xiàn)象出現(xiàn)于一種具有六邊形晶胞網(wǎng)格的物質(zhì)中時所發(fā)生的情況。物質(zhì)內(nèi)的原子通過各自的自旋相互作用，距離最近的原子之間交互作用的強度用J1表示；次近的原子之間的作用力用J2表示。科學(xué)家們讓六邊形晶格中的原子相互作用，觀察并計算了可能會出現(xiàn)的狀態(tài)。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，就像溫度變化會使水以不同形態(tài)存在一樣，自旋之間交互作用的強度也會發(fā)生變化，形成“萬花筒”似的多樣狀態(tài)。其中一種狀態(tài)被證明為無序的量子自旋液體，當J2為J1值的21%到36%之間時，“挫敗”誘導(dǎo)自旋進入無序狀態(tài)，整個樣本同時存在著數(shù)百萬種量子狀態(tài)。

參與研究的科學(xué)家加里塔斯基表示，很難想象一個微小的二維物質(zhì)能同時以如此多狀態(tài)存在，人們應(yīng)把自旋看成像粒子一樣自由運轉(zhuǎn)的實體，即自旋振子，會結(jié)合在一起，就像水分子結(jié)合成液態(tài)水一樣，因此得名量子自旋液體。而且，其與金屬內(nèi)部發(fā)生的情況類似，在金屬內(nèi)部，大多數(shù)原子的外層電子會離開其“宿主”原子，在金屬內(nèi)漂移，好像它們組成了液體（費密液體）。這些現(xiàn)象也許能支持某些奇異的超導(dǎo)性或?qū)⒁恍┫窳Ｗ右粯訐碛须姾傻膶嶓w組織起來。

最近，科學(xué)家又在量子自旋液體中發(fā)現(xiàn)隱藏秩序。這種沒有傳統(tǒng)磁力的隱藏的磁性“量子秩序”是科學(xué)家在研究一條100個原子場的陶瓷原子鏈時發(fā)現(xiàn)的，科學(xué)家們對一種陶瓷材料進行研究，這種材料是一個個以鎳為中心的氧八面體首尾相連的鏈式結(jié)構(gòu)。這種鏈并不是普通的磁子，而是奇異的量子自旋液體，其中的電子自旋即使在很低的溫度下其方向也是隨機的。通過使用中子來對這些磁性激子成像并測量其傳播的距離，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)盡管經(jīng)典上無序，但磁性激子都能夠在低溫下穿過整個原子鏈。他們還發(fā)現(xiàn)可以通過引入缺陷或者加熱來限制這種量子相干或者使之完全消失。

而來自瑞典科學(xué)家通過實驗證實，磁納米接觸可使自旋波“繁殖”。觀察結(jié)果與十年前科學(xué)家提出的“磁性納米接觸會讓納米尺度的自旋波繁殖”這一理論相吻合。在研究中，科學(xué)家們制造出直徑約為40納米的納米接觸，自旋波被造于3納米厚的一薄層鎳鐵合金內(nèi)，模擬顯示，磁性納米接觸會讓自旋波像水波一樣擴展。

近藤效應(yīng)是電子與其周圍電子發(fā)生非常復(fù)雜的糾纏引起的，目前的研究方法只能測量到近藤狀態(tài)，無法獲知電子是如何與其周圍環(huán)境發(fā)生糾纏的。據(jù)美國科學(xué)促進會網(wǎng)站報道，2013年6月30日發(fā)表在《自然》文章揭示了近藤效應(yīng)狀態(tài)下單個電子是如何與其周圍環(huán)境產(chǎn)生糾纏態(tài)的。由來自美國、德國和瑞士科學(xué)家組成的研究團隊利用激光散射技術(shù)探測到近藤狀態(tài)下的電子活動。根據(jù)激光散射過的電子不同狀態(tài)，他們推測出電子能通過吸收不同顏色的激光來改變溫度，反射回來的激光能夠攜帶量子糾纏態(tài)的特征，從而可以觀察到電子與其周圍環(huán)境之間的關(guān)系。科研人員利用納米結(jié)構(gòu)的設(shè)備將電子捕捉在小凹槽里，從而將單個電子分離出來。但是凹槽中的電子只能保持有限的隔離，最終還是會跟周圍的大量電子糾纏在一起。

弗吉尼亞聯(lián)邦大學(xué)的物理學(xué)教授施夫·漢納領(lǐng)導(dǎo)的團隊發(fā)現(xiàn)了新型“超原子”，種性能穩(wěn)定的新型“超原子”，是由1個鐵原子和8個鎂原子集結(jié)而成的原子簇，具有令人不可思議的磁性，兼具電性和磁性。科學(xué)家發(fā)現(xiàn)了一原子簇擁有8個鎂原子時，其充滿電子的殼層與未填滿的殼層幾乎完全分離，從而獲得非凡的穩(wěn)定性。當一個原子的最外層被填滿并且與未填滿的殼層分開時，該原子處于一種穩(wěn)定的狀態(tài)，惰性氣體的原子就是如此。新的超原子還會優(yōu)先使朝特定方向自旋的電子遍及整個原子簇這種兼具磁性和導(dǎo)電性的超原子將在分子電子設(shè)備領(lǐng)域大展拳腳。

一般兩朵云相遇，會互相彌散彼此透過，但美國麻省理工學(xué)院物理學(xué)家卻造出了一種奇怪的超冷氣互斥云，即使將其密度降低到只有空氣的百萬分之一，它們在相遇時也能像兩個保齡球一樣彼此彈開，這是科學(xué)家首次觀察到氣體之間無法互相透過的現(xiàn)象。此次研究人員在實驗室里造出的云是一種冷卻到接近絕對零度的鋰原子氣體，用來代替電子。鋰同位素也是一種費米子，用來模擬強相互作用系統(tǒng)模型。研究人員用磁場調(diào)整鋰原子的能量態(tài)，讓原子之間產(chǎn)生自然狀態(tài)的強度相互作用，即每次它們相互遭遇，就會散射開。氣體被冷卻到五百億分之一開氏度以消除熱能影響，再用磁力將氣體分開成兩部分，分別標記為“上旋”和“下旋”，然后讓兩部分氣體在激光勢阱中相撞。研究人員發(fā)現(xiàn)，它們不但不像通常那樣互相彌散透過，而是戲劇性地互相推開。氣云最終還是會彌散融合，但要花很長時間，有幾次甚至用了一秒甚至更長，這對微觀事件來說是極其漫長的。

第二，量子記憶

由德國馬克斯普朗克量子光學(xué)研究所的科學(xué)家格哈德·瑞普領(lǐng)導(dǎo)的科研小組成功首次將單個光子的量子狀態(tài)寫入一個銣原子中，經(jīng)過180微秒后將其讀出。這說明單原子也能存儲量子信息。

物理學(xué)家將量子信息存儲到非常冰冷的原子纏結(jié)中，并大幅度提高了從中檢索的時間。

量子互聯(lián)網(wǎng)的目的是分配“纏結(jié)”的量子位——兩個距離很遠、有相互關(guān)系的數(shù)據(jù)位，代表“0”或者“1”。所謂“纏結(jié)”是指具有交互作用的粒子之間的神奇連接，即使粒子位于宇宙空間的兩邊，這種連接都能以極快的速度連接，量子位像光子一樣在光纖網(wǎng)絡(luò)中旅行。為了達成量子記憶，研究人員使用一個銣87原子系綜，并將其冷凍到絕對零度以使原子的活動最小。為了存儲信息，該原子系綜被暴露于攜帶信號的激光之下，允許每一個原子作為“集體激發(fā)”的一部分參與存儲。簡單來說，每一個原子“看見”了前來的信號，一個快速擺動的電磁場，就會刻下相位信息，該相位信息之后就能被“讀”到。盡管非常冰冷，系綜原子可在任意方向自由移動。因為每一個原子存儲量子信息的一部分，且數(shù)據(jù)的有用性依賴每個原子參照其他原子的位置，原子大量的運動可能會破壞信息。

加拿大和德國科學(xué)家合作成功地在一種特殊晶體中存入光量子糾纏態(tài)的編碼信息。物理系教授沃夫?qū)ぬ┨貭柺褂昧艘环N摻入稀土離子的晶體，并將其冷凍到-270℃。在此溫度下，晶體材料性質(zhì)發(fā)生變化，使得研究人員可以存儲和提取這些量子，而不產(chǎn)生明顯的退化。泰特爾表示，研究結(jié)果顯示，量子所擁有的“糾纏”這種物理性質(zhì)，并不像我們以前所通常認為的那樣“脆弱”。

由英國牛津大學(xué)和曼徹斯特大學(xué)組成的聯(lián)合研究小組通過化學(xué)工程，制造出一種名為Cr7Ni的特殊分子結(jié)構(gòu)，并演示了其磁性能保持量子疊加態(tài)超過15微秒，在因退相干而失去信息之前，它們的自旋狀態(tài)可反復(fù)轉(zhuǎn)換。

分子磁鐵是一種分子，其磁矩通常按分子結(jié)構(gòu)的特殊軸線排布，因此在磁場的影響下，其電子自旋方式也會變成不止一種狀態(tài)。在低溫下，即使沒有磁場，它們也能保持這種狀態(tài)，這一特性使采用它們來存儲信息成為可能。利用化學(xué)工程合成人造分子，可以作為量子比特，并使其記憶時間段大大延長。研究人員介紹說，實現(xiàn)單量子比特操作的必要時間為10納秒，根據(jù)以往對Cr7Ni分子磁鐵的研究，其相干時間大大超過了這一限制。此前的記憶時段最高紀錄為3.8微秒，另外一些分子磁鐵系統(tǒng)的記憶時長也能保持在1微秒左右。“記憶時段和相干時間是非常相似的概念”。論文合著者、牛津大學(xué)的阿章·阿達萬說，“記憶時段越長，表明在量子信息損失之前，能操控量子比特的次數(shù)越多。如果能精確控制分子結(jié)構(gòu)，找出各種退相干的機制，就能盡可能減少這些退相干因素”。

另外，一種量子記憶體也被加拿大和德國科學(xué)家合作在超低溫環(huán)境下成功制造了出來。研究人員使用一種摻雜稀土離子并冷凍至-270℃的鈮酸鋰晶體，成功實現(xiàn)了存儲和再現(xiàn)糾纏態(tài)光量子，也就是說，他們已經(jīng)制造出了一種量子記憶體。這種超低溫晶體所具有的存儲和再現(xiàn)光量子的材料特性，與計算機中字節(jié)的保存和調(diào)用非常相似。在這種狀態(tài)里，光量子之間形成“糾纏”關(guān)系，即便是它們游離開來相距甚遠，也會保持這種“糾纏”關(guān)系。在某種程度上講，這種“糾纏”關(guān)系意味著量子之間盡管相距甚遠還將存在著通信聯(lián)系。

美國和德國科學(xué)家在最新研究中，將包裹于鉆石內(nèi)單個電子里的量子信息移入鄰近的單個氮原子核內(nèi)，接著使用芯片上的布線讓其返回。這是科學(xué)家首次證明，鉆石內(nèi)的亞原子也擁有量子記憶，全量子信息能在室溫下，在單個電子自旋和單個核自旋之間來回高保真地轉(zhuǎn)換。由于亞原子核狀態(tài)與外部世界之間更難發(fā)生具有破壞性的相互作用，鉆石內(nèi)的亞原子也擁有量子記憶。

該研究團隊之前已經(jīng)證明，能夠使用氮原子束故意在鉆石上制造瑕疵來捕獲單個電子，從而合成出數(shù)千個這樣單個的電子狀態(tài)，在室溫下鉆石中的瑕疵也能精確地做到這一點，于是科學(xué)家開始考慮利用有瑕疵的鉆石來存儲數(shù)據(jù)。由于量子物理學(xué)獨特的屬性，在某種特定的情況下，兩個量子物體能混合成為一個新的復(fù)合體。通過將瑕疵內(nèi)電子的量子自旋狀態(tài)和氮原子核的自旋狀態(tài)在很短的時間內(nèi)（不到1千萬分之一秒）混在一起，最初被編進電子中的信息會被傳遞給原子核。量子信息能夠被很快地轉(zhuǎn)運給壽命長的核自旋，這能進一步增強我們糾正量子計算中出現(xiàn)的錯誤的能力。

英科學(xué)家們表示，已經(jīng)研發(fā)出了一種新方法，利用“智能材料”來使蛋白質(zhì)結(jié)晶，這種智能材料能記住分子的形狀和“性格”。研發(fā)新藥的過程一般如下：科學(xué)家們會先找出一個與疾病有關(guān)的蛋白質(zhì)；接著設(shè)計出一個能同該蛋白質(zhì)相互作用的分子，來刺激或者阻止該蛋白質(zhì)的功能。研究者利用一種名叫“分子印跡聚合物（MIPs）”的材料，研發(fā)出了一種更有效的制造蛋白質(zhì)晶體的方法。MIPs是一種由小單元組成的化合物，這些小單元緊緊包圍著一個分子，當其中的分子被提取出來后，會留下一個洞穴，這個洞穴能夠保持其形狀，并對靶向分子具有很強的親和性。這種屬性使MIPs成為一個理想的成核劑，其能將蛋白質(zhì)分子綁在一起，并使蛋白質(zhì)分子更容易集結(jié)從而結(jié)晶。現(xiàn)實中需要很強的力量才能讓蛋白質(zhì)脫離溶液并形成晶體，MIPs可以成為這個過程的“幕后推手”，它會使用這個蛋白質(zhì)作為其形成晶體的模板，一旦第一個或第一組分子被放在正確的地方，其他分子能自我排列在它周圍并且開始結(jié)晶。研究發(fā)現(xiàn)，有6個不同的MIPs誘導(dǎo)9個蛋白質(zhì)形成了晶體，而這些蛋白質(zhì)在此前的實驗中結(jié)晶情況并不理想。

1932年，瑞典人奧蘭德在金鎘合金中首次觀察到“記憶”效應(yīng)，即合金的形狀被改變之后，一旦加熱到一定的躍變溫度時，它又可以魔術(shù)般地變回到原來的形狀，人們把具有這種特殊功能的合金稱為形狀記憶合金。記憶合金被譽為“神奇的功能材料”。

1963年，美國海軍軍械研究所的比勒在研究工作中發(fā)現(xiàn)，在高于室溫較多的某溫度范圍內(nèi)，把一種鎳鈦合金絲燒成彈簧，然后在冷水中把它拉直或鑄成正方形、三角形等形狀，再放在40℃以上的熱水中，該合金絲就恢復(fù)成原來的彈簧形狀。后來陸續(xù)發(fā)現(xiàn)，某些其他合金也有類似的功能。這一類合金被稱為形狀記憶合金。每種以一定元素按一定重量比組成的形狀記憶合金都有一個轉(zhuǎn)變溫度；在這一溫度以上將該合金加工成一定的形狀，然后將其冷卻到轉(zhuǎn)變溫度以下，人為地改變其形狀后再加熱到轉(zhuǎn)變溫度以上，該合金便會自動地恢復(fù)到原先在轉(zhuǎn)變溫度以上加工成的形狀。

第三，自我組織性

上海交通大學(xué)研究人員報道了宏觀自組裝現(xiàn)象，這項研究為生命起源提供了新的啟示。2004年1月，在美國出版的《科學(xué)》雜志，發(fā)表了上海交通大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院顏德岳教授及其博士生周永豐、侯健的論文《形成宏觀管子的超分子自組裝行為研究》。該論文在國際上率先報道了宏觀自組裝現(xiàn)象，由一類新型的不規(guī)則的大分子自組裝得到了厘米長度、毫米直徑的多壁螺旋管，將超分子自組裝研究領(lǐng)域拓展到了宏觀尺度，使我國在這一研究領(lǐng)域處于國際領(lǐng)先的地位。

據(jù)介紹，超分子自組裝是近年來國際科技界關(guān)注的一個前沿?zé)狳c。人們知道蛋白質(zhì)、細胞乃至生命的形成都是通過自組裝來實現(xiàn)的，因此自組裝的研究對揭開生命現(xiàn)象奧秘具有十分重要的意義。另外，自組裝是目前用來制造納米材料的最方便最普遍的途徑之一。特別對于制造結(jié)構(gòu)規(guī)則的功能材料，自組裝已經(jīng)顯示出獨一無二的優(yōu)越性。可以說，自組裝研究不僅具有重要的學(xué)術(shù)意義，而且具有廣泛的技術(shù)應(yīng)用前景，因此吸引了眾多科學(xué)家的目光。

由顏德岳教授課題組進行的這項研究始于1998年冬，經(jīng)過5年多的努力終于成功地自組裝得到了形貌更為完美的宏觀多壁螺旋管，并經(jīng)多次重復(fù)測試都重現(xiàn)了自組裝現(xiàn)象。這項研究結(jié)果所展示的從分子直接自組裝得到宏觀物體的過程和生命物體的形成過程有關(guān)，為生命起源研究提供了新的啟示。

中國科學(xué)院化學(xué)研究所光化學(xué)院重點實驗室江華課題組與法國的科研人員合作在超分子自組裝研究中取得了新進展，成功地合成了一系列具有螺旋結(jié)構(gòu)的喹啉酰胺寡聚物。

研究人員通過片段加倍合成法，成功地合成了分別含有2、4、8個喹啉酰胺結(jié)構(gòu)單元的寡聚物。這些寡聚物通過分子內(nèi)F—NH和N—NH氫鍵自組裝成為單、雙螺旋和四螺旋超分子體系（圖046和圖047）。研究表明無論是在晶體中還是在溶液中，這些多肽寡聚物都呈現(xiàn)相同的螺旋結(jié)構(gòu)。研究人員還發(fā)現(xiàn)單螺旋必須通過增加螺旋間的距離才能夠組裝成為雙螺旋超分子體系，并在此基礎(chǔ)上提出了多螺旋結(jié)構(gòu)形成的彈簧伸展原理（圖048）。這和短桿菌肽（Gramicidin）有著十分相似的自組裝機理，這些研究結(jié)果為探索合成新型人工合成折疊分子及其超分子結(jié)構(gòu)提供了新途徑。在自然界中，許多天然生物大分子都采用螺旋或多螺旋結(jié)構(gòu)。

美新發(fā)現(xiàn)自旋納米粒子會自我組裝成“活著的晶體”:2014年02月26日據(jù)中國科技網(wǎng)，每日科學(xué)網(wǎng)報道，美國密歇根大學(xué)教授莎朗·格洛特茲領(lǐng)導(dǎo)的團隊在解決納米粒子自我組裝時發(fā)現(xiàn)，只是讓納米粒子自旋就會誘導(dǎo)它們組成科學(xué)家們所謂的“活著的旋轉(zhuǎn)晶體”，這種晶體或許可以用作納米泵，在設(shè)備內(nèi)運輸物，也能順帶解釋生命的起源。科學(xué)家們之所以稱這種晶體為“活著的”，是因為從某種程度上來說，它們自己就采用一種非常簡單的規(guī)則呈現(xiàn)出了生命的形式。

包括格洛特茲在內(nèi)的科學(xué)家一直在探索納米粒子像生命剛開始，是如何從無序狀態(tài)，自然演變成有序狀態(tài)的。而格洛特茲團隊解決這一組裝挑戰(zhàn)的方式是，持續(xù)不斷地添加擁有能量的組件，用這種方式來處理納米粒子。結(jié)果，研究人員最近發(fā)現(xiàn)，如果粒子從基本運動（比如朝一個方向移動）就開始獲得能量，那么，它們會相互影響，形成群體，而格洛特茲團隊發(fā)現(xiàn)，旋轉(zhuǎn)的粒子會自我組裝。該研究團隊認為，盡管計算機模擬是二維的，旋轉(zhuǎn)的粒子也能變成“活的”三維晶體，因此，或可用于解釋生命的起源。

美實驗室意外合成二維有機準晶體：據(jù)國外媒體報道：美國圣母大學(xué)的物理化學(xué)家亞歷克斯·坎德爾（Alex Kandel）所在的實驗室意外發(fā)現(xiàn)了一種有機分子形成的二維準晶體，并發(fā)表在《自然》上。

這是一種由自我裝配的有機分子形成的二維準晶體。這種奇特的準晶體由扁平的單層五邊環(huán)分子組成。這個分子組奇特的裝配方式導(dǎo)致這一層里的其它分子形成了五角形、星形、船形和菱形等形狀。如果這是一個規(guī)則的古老晶體，那么這些群體和形狀會在每一層里以可預(yù)測的方式反復(fù)出現(xiàn)。但是，在準晶體里，同一層里反復(fù)出現(xiàn)相同的形狀，但似乎不是以有組織的形式出現(xiàn)。準晶體的結(jié)構(gòu)是部分晶體部分紊亂的，是介于重復(fù)對稱單元的結(jié)構(gòu)和完全無序的建構(gòu)單元結(jié)構(gòu)之間。

有關(guān)自我裝配的意思，不少科學(xué)家們也表示異議。科學(xué)家維德拉認為這個術(shù)語可以應(yīng)用于所有的準晶體結(jié)構(gòu)，而不僅限于新發(fā)現(xiàn)的這個。坎德爾辯論稱由強大的化學(xué)鍵組成的結(jié)構(gòu)——正如其它準晶體一樣——其實并非是自我裝配的。這些強大的化學(xué)鍵“壓倒了”單個建造單元互相結(jié)合的力量，使得材料別無選擇只能形成組織。而在這種新的準晶體里，這些建造單元是由微弱的氫鍵結(jié)合在一起的。“自我裝配非常有趣，因為驅(qū)動組織形成的力量遠比單個結(jié)構(gòu)形成的力要更微弱。”坎德爾說道。