《新材料周刊》30期：量子计算的巨大突破与霸权之争

战略前沿技术

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内容摘要：

量子计算的巨大突破与霸权之争

加拿大申请四项与隐身材料相关专利

复合金属泡沫可取代铝合金用作机翼材料

生物材料可提高太阳能电池效率

废塑料转化为分子过滤膜新方法

3D打印速度和体积获数量级提升，可变革制造业

美揭示“超级材料”珠母贝工作原理

量子计算的巨大突破与霸权之争

10月24日，IBM宣称在量子计算领域取得突破，并展示了一项突破性的纳米技术，该技术可使科学家控制单个原子，将单个原子作为量子信息处理的量子位。研究人员先把钛原子置于选定的超薄氧化镁表面，然后使用扫描隧道显微镜（STM）向钛原子发送特定频率的电磁波，钛原子即可产生自旋，从而具备量子叠加态。这项技术被称为“脉冲电子自旋共振”，研究人员成功地模拟2量子位量子系统中的量子纠缠，并且创造出可控的2比特量子器件。

2016年以来，全球出现了新一轮量子计算热潮，美日欧及中国纷纷启动了量子计算的国家科研计划。诸多互联网巨头也纷纷在该领域投入巨资，希望率先实现量子计算的实用化。目前量子计算的研究还处于尝试阶段，IBM和谷歌代表了目前在超导量子计算机方面国际上最高的水平，近期两大巨头之间相互角力，更是波澜迭起。

9月20日，谷歌在NASA官网发表论文，声称已经实现“量子霸权（quantum supremacy）”，称200秒的量子计算可实现最强超算1万年才能完成的复杂计算，但论文随后被删除；10月22日，IBM发文称谷歌的说法是有缺陷的，实际上是在没有充分利用超算全部能力的情况下进行竞争，其实根本不需要一万年，2天半就能做到；10月23日晚，谷歌在《自然》杂志官网上将一个月前被火速删除的论文重新发表，并表示已经实现了自1980年代以来科学家们一直寻求的突破，它可以使新型量子计算机以当今技术无法想象的速度进行计算。谷歌把这个量子处理器叫做“Sycamore”，它由54个transmon量子比特的二维阵列组成，每个比特与周围的4个比特相耦合。该处理器使用铝制造，外观和普通的CPU芯片非常相似。

谷歌称这是量子领域的里程碑事件。这个里程碑是在谷歌科学家约翰·马丁尼斯（John Martinis）及其小组经过大约二十年的量子计算研究之后完成的，从单个超导量子比特到包括72个量子结构的系统，以及在Sycamore上的54个量子比特（有一个没有执行），它们利用了量子力学令人敬畏的神奇性质。

量子计算对区块链网络的最大威胁是其可以打破传统加密技术的能力，将影响包括比特币所使用的SHA-256在内的多种加密算法。抗量子区块链QAN首席技术官约翰·波利萨克（Johann Polecsak）表示，“量子计算将迫使所有加密货币采用新的签名算法”。当真正的量子计算开始入侵全球系统时，势必会造成巨大恐慌和经济安全损失。

《日本经济新闻》评论称，量子计算机拥有超强的计算能力，如果AI是软件的革命，那么此次的“量子霸权”是硬件的革命，它与AI协作所产生的破坏性创新的威力将十分惊人。

据权威专家评论，距离通用量子计算机实现还很遥远，还需要解决很多必须突破的技术课题，即使进展顺利，估计也需要花上20年至30年的时间。（ibm.com 10月24日消息综合）

加拿大申请四项与隐身材料相关专利 加拿大超级隐形生物科技公司（Hyperperstealth Biotechnology）宣布申请了四项专利，这些专利均与光弯曲材料“量子隐形（Quantum Stealth）”有关，也就是俗称的隐身衣。第一项专利是关于光弯曲材料“量子隐形”。该材料不仅能在可见光谱中隐藏目标，而且在阻挡热光谱的同时也会在紫外线、红外和短波红外中弯曲，从而使其成为真正的“宽带隐身衣”。该隐身材料无需电源，薄如纸张、造价便宜、容易运输，可在任何环境、任何季节、任何时间工作，以隐藏人员、车辆、轮船、航天器和建筑物。第二项专利申请是新型“太阳能面板放大器”，其使用的透镜材料是所有四项专利的关键组成部分。它的输出是同等面积的薄膜控制面板的三倍以上，单晶面板的近三倍，并远超多晶硅面板。第三项专利申请简称为“显示系统”，可通过添加有源投影仪来产生全息类图像。专利局已经审查了这项专利申请。第四项专利申请是“激光散射、偏差与操纵”。在视频中，研究人员将单束激光拆分为3,888,000束较小的激光。这些激光可添加到激光雷达系统（性能类似于雷达的激光系统）中，用于新型自动驾驶汽车。将一束激光增加到数百万束，可在更远的距离上实现超高分辨率，从而使计算机能够更快地确定危险状况或物体，为车辆、行人和道路附近的动物提供更安全的通行。新型数百万激光雷达系统还可用于探测和跟踪飞机，甚于远距离的常规或隐形飞机；以及扫视敌方战场所有士兵和设备的细节。（加拿大超级隐形生物科技公司网站10月8日消息）

复合金属泡沫可取代铝合金用作机翼材料 北卡罗来纳州立大学最新研究表明，虽然复合金属泡沫（CMF）和环氧树脂的组合与铝的重量大致相当，但从飞行性能、安全性和燃油效率的角度考虑，它在韧性和其他特性方面更具吸引力，可用作机翼材料。CMF由钢、铝等金属基体和嵌入其中的中空金属球组成，这种金属泡沫非常坚硬，能够承受0.50英寸口径的子弹，并能抵挡爆炸带来的冲击。研究团队开发的新材料被称为注入式CMF，球体和基体均由不锈钢制成。通过真空工艺，疏水性环氧树脂被注入材料中，其约88％的孔隙被树脂填满。测试结果表明，注入式CMF的接触角比铝高130％，有显着的改进；在对昆虫的附着力方面，注入式CMF优于铝，根据堆积高度测量，残留物减少60％，而覆盖面积减少30％；尽管喷砂处理确实增加了注入式CMF的表面粗糙度，但仍然比铝更好。例如，在极端情况下，注入式CMF的接触角仍然比铝高50％，即注入式CMF通过侵蚀和磨损保留了其特性，这表明它可使机翼组件具有更长的使用寿命，从而降低维护和更换成本。（美国北卡罗莱纳州立大学网站10月21日消息）

生物材料可提高太阳能电池效率 宾夕法尼亚州立大学领导的国际研究团队发现，向钙钛矿太阳能电池中添加细菌视紫红质（bR）蛋白生物材料可提高该装置的效率，效率从14.5％提高到17％。由于bR蛋白和钙钛矿电池具有相似的电性能或带隙，二者可以通过福斯特共振能量转移（FRET）机制减少电子-空穴对的重组，提高钙钛矿太阳能电池效率。该研究为开发更高光电转换效率、更便宜的太阳能电池提供新的可能。（美国宾夕法尼亚州立大学网站10月21日消息）

废塑料转化为分子过滤膜新方法 沙特阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）研究人员开发一种可将塑料瓶制成分子过滤膜的方法。研究人员首先溶解回收的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET），其次再用另一种溶剂重新凝固成膜状固体，最后在聚乙二醇（PEG）诱导剂的诱导下获得多孔分子过滤膜。PEG溶剂的浓度决定固体分子膜中孔的数量和大小。制得过滤膜的孔径为35-100纳米，空隙率在10%，此外在100℃的温度下多孔过滤膜也有较好的性能。PET分子过滤膜对多种溶剂以及在含氯、酸的介质中具有抵抗力，可以用作化学工业中的分子过滤膜、复合薄膜的多孔载体以及需要高耐化学性和耐热性的不同应用场合。（沙特阿卜杜拉国王科技大学网站10月21日消息）

3D打印速度和体积获数量级提升，可变革制造业 美国西北大学研究人员开发出一种极具未来性的新款3D打印，该打印机可以在几个小时之内打印出成人大小物体，且打印速度非常快。该打印机应用了“HARP”（high-area rapid printing，大面积快速打印）技术，可以打印出单个、大尺寸的部件或者许多不同的小部件。HARP新型立体打印技术可以将液体塑料转换为固体产品，其使用投射的紫外线在垂直方向将液体树脂固化成硬化塑料来进行打印。该方法可以打印出坚硬的、有弹性的，甚至是陶瓷制品。与其他常见3D打印技术制造的层压结构相比，应用HARP技术打印的部件具有更强的机械强度，可以用作汽车、飞机、牙科、矫形手术、服饰等产品的零部件。研究人员表示该技术应用并不是遥遥无期，而是有望在未来18个月内可以投入市场。（美国西北大学网站10月17日消息）

美揭示“超级材料”珠母贝工作原理 密歇根大学研究人员近日使用电子显微镜和微压痕技术揭示了珠母贝的工作原理。研究人员发现，珠母贝是由有机材料和无机材料组成的砖瓦结构，使其成为几乎坚不可摧的超级材料，具有极佳的硬度和强度。研究人员发现，珠母贝“砖块”实际上是只有几百纳米大小的多面片。通常，这些纳米片保持分离、分层排列，并由一层薄薄的有机“砂浆”提供缓冲。但是，当向外壳施加压力时，“砂浆”被挤到一边，纳米片锁在一起，形成了固体表面。外力消除后，其结构回弹至最初状态，而不会失去任何强度或弹性。研究人员表示人们模仿珠母贝制造的纳米工程复合材料表面，将比现有表面更轻更坚韧。（美国密歇根大学网站10月23日消息）

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