“奈米泡沫之後，質疑和批評聲當然不少，不過，我想問批評者的問題很簡單：如果奈米技術失敗了會怎樣？如果目前正在進行的奈米研究都不會發生又會怎樣？”

除了幾種已知的奈米新材料帶來的廣泛應用，目前奈米技術在抗擊癌症、治療腦損傷等方面的進步振奮人心，在我們身體內部工作的奈米機器人已呼之欲出；在資訊科技方面，摩爾定律目前已經在接近物理極限，而奈米技術則有望繼續這一定律，甚至能幫助製造通用量子計算機……總之，奈米技術的研究寄託著解決我們這個時代多個主要問題的希望。

2005~2009年出現奈米泡沫，究其原因，在於投資者對奈米技術的應用以及其開發週期較長缺乏認識，資本市場熱炒造成了盲目投資，並不代表奈米技術本身虛妄。如果奈米技術失敗了，未來的世界會枯燥和無聊很多，而沒有人想要一個沒有希望和夢想的未來。

奈米技術下的新醫療

奈米技術在醫學領域的應用主要是什麼？雷·庫茲韋爾聲稱奈米技術能“清除癌細胞，備份記憶並延緩衰老”有科學依據嗎？

目前，奈米技術在醫療領域廣為稱道的變革是“靶向給藥”，麻省理工學院著名教授羅伯特·蘭格（Robert Langer）可能是這個領域最著名的研究者了，他從1976年開始就一直在這個領域耕耘。如今，很多藥物之所以有副作用，是因為它們往往不僅攻擊病毒，還攻擊所有的健康細胞。“靶向給藥”的研究目的是讓藥物精準得僅針對病患處治療，更進一步說，蘭格教授目前還正在研究注入人體的藥物是否能以可控的頻率定時釋放，從而讓藥效更持久。他為此研發出了一種奈米聚合物。聚合物是非常靈活、可塑性很強的材料，比如塑膠和橡膠。蘭格的奈米聚合物可以帶著藥物穿行於身體之內，它可以檢測到何時到達病患處，然後再以適當的頻率釋放藥物。

此外，詹姆斯·舒瓦茲（James Swartz）在斯坦福的實驗室程式設計了一個奈米粒子，它具備類似病毒的傳染效應，從而可以將治療藥物傳送到身體內的特定位置。[1]

這種精準用藥的方式當然有助於治療包括癌症在內的很多疾病。化療是癌症最常用的一種治療方式，但它有極大的副作用，因為它在殺死癌細胞的同時，也會傷害身體裡快速生長的其他細胞，很多病人在化療後大量掉頭髮就是最典型的表現。加拿大多倫多大學沃倫·陳（Warren Chan）的團隊創造了一種能讓化療藥物僅“瞄準”癌細胞釋放的奈米粒子，這些“聰明”的奈米粒子還可以一直停留在血液中，以便能夠第一時間發現癌細胞，然後它們可以改變形狀、大小甚至結構來攻擊癌細胞。[2]

在早期的癌症檢測方面，2014年，印第安納大學的拉傑什·薩達爾（Rajesh Sardar）設計的奈米感測器可以檢測出血液中的microRNA分子濃度的變化，從而為胰腺癌發出早期的警報。[3]

頗為振奮人心的是，2015年，得克薩斯大學的丹尼爾·西格沃特（Daniel Siegwart）使用合成奈米粒子研發了一種microRNA療法（RNA，即RibonucleicAcid，核糖核酸，存在於生物細胞以及部分病毒、類病毒中的遺傳資訊載體）。MicroRNAs（miRNAs）是在真核生物中發現的一類內源性的具有MicroRNA調控功能的非編碼RNA，其大小長20~25個核苷酸）來抑制肝臟腫瘤。將來，同樣的技術還可以用於向我們的DNA釋出“命令”，比如，關閉對我們的身體造成損害的基因，提供一個新的、完整的基因來取代停止工作的基因。

在治療腦部和身體損傷方面，奈米技術也有突出表現。2016年，華盛頓大學醫學院的羅裡·墨菲（Rory Murphy）和威爾遜·雷（Wilson Ray）與伊利諾伊大學厄巴納—香檳分校約翰·羅傑斯（John Rogers）團隊發表了雙方合作的成果：他們用奈米技術製造了無線大腦感測器來監測重度腦損傷的患者。在人體內植入電子裝置的技術我們早已能做到，問題是人體容易感染，康復數年的病人甚至還有可能死於體內移植物的感染，替代這種電子移植物的新材料就是可以在體內溶解的化合物。雙方製造的奈米感測器正是如此：它們可以在人體中穿行，發揮到傳遞資訊作用後又可以直接被人體吸收，無須再做手術將其取出。[4]

密歇根大學的馬曉龍（Peter Ma）製造的奈米粒子可將一個microRNA分子帶到損傷的骨頭附近的細胞中，從而將這些細胞變成骨修復機器人。[5]

此外，奈米技術在醫學上的另一種重要應用也正在科羅拉多大學緊張研發中。目前，醫學上面臨的最緊迫的問題之一是，我們並沒有開發出新的抗生素，但細菌在不斷進化。如今已知的對抗生素具有耐藥性的細菌包括沙門氏菌、大腸桿菌、金黃色葡萄球菌等，它們的數量不斷增加，每年導致約兩百萬人感染，僅在美國就導致23 000人的死亡。這些微生物還在不斷進化，很快已有的抗生素都會對它們失去作用。而科羅拉多大學的阿納什·查特吉（Anushree Chatterjee）和普拉桑特·納格帕爾（Prashant Nagpal）正在研究用新型光敏奈米微粒（light-activated nano-pa rticles）來攻擊這些細菌。[6]

普拉桑特·納格帕爾是奈米工程背後的“大腦”，他可以在奈米比例上操作物質來得到新的效能。比如，他可以將一些半導體轉化成跟金屬一樣好的導體（可用於提高太陽能電池的能力）；他找到了將紅外輻射轉化為電能的方法（可能帶來新一代太陽能電池板的誕生）；他還發明瞭“量子分子測序”（quantum molecular sequencing），一種僅用一個分子就可以測序一個人基因組的方法（之前需要一滴血或一塊面板才能測序）。他的實驗室就是多個領域都可以從奈米技術中受益的活生生的例子。

操作分子的機器人

醫學對奈米技術的應用已經如此深入，接下來我們的身體裡是否會有很多維護健康的奈米機器人？

確實，奈米機器人是奈米技術最讓人著迷的一個分支。目前，幾種人工（更好的詞是合成）奈米電機已經基於不同的推進機制作了測試。德國馬克斯—普朗克研究所（Max Planck Institute，MPI）的皮爾·菲舍爾（Peer Fischer）已經造出了能夠“游泳”（或者，更形象的詞是“划槳”）到血管裡的奈米機器人。這些機器人其實使用非常規的物理原則進行移動，有一天，它們就能執行簡單的醫療程式。[7]

目前，每年全世界範圍內患丙肝的人數達到1.7億，而我們至今還沒有研發出很好的疫苗。佛羅里達大學的劉晨開發的奈米機器人就可以專門抗擊丙肝，它們可以攻擊和阻止病毒的複製。具體來說，她的奈米機器人在一種能識別病毒的類DNA化合物的“導航”下運作，能夠指示一種酶來破壞病毒的複製機制。[8]

加州大學聖地亞哥分校的汪少傑（Joseph Wang）、張良方以及他們的學生高偉發明了一種能夠自推進的奈米機器人。他們的奈米機器人放置在老鼠的胃部進行實驗，能利用胃部消化時產生的氣泡作為自推進的動能，然後奈米機器人再前行到需要“卸貨”（藥物等）的人體部位去。[9]

為了創造新的材料，我們需要建造新的分子結構。過去，化學家們為此需要在實驗室裡跟各種裝滿奇怪的化學物質的瓶瓶罐罐們打交道。曼徹斯特大學的大衛·利（David Leigh）希望能改變這種工作狀況。他想建立一個相當於工廠流水線的納米制造裝置。這個“奈米工廠”需要先有能將物體（分子）撿起來並送到其他地方的奈米機器人，也就是說，大衛·利想要製造一個能移動一個分子的機器人。[10]

不難看出，奈米技術和生物技術之間有很大關係，有德魯·安迪這樣的生物學家認為，某種程度上，生物技術就是奈米技術。確實，生物學研究一度滯留在分子水平，但生物技術正越來越深入到細胞內部，而奈米技術甚至能讓生物技術進入到原子以下的領域。奈米粒子可以改變細胞的行為，而不改變細胞的DNA，這對腫瘤細胞尤其有用。

形象地說，奈米粒子能變成細胞內部的“特洛伊木馬”。例如，2016年，密歇根大學霍華德·佩蒂（Howard Petty）的團隊創造了一種奈米粒子，它能以造成細胞新陳代謝短路的方式殺死眼部的腫瘤細胞。[11]

奈米技術和生物技術之間有著深度互動並不奇怪，有時候兩者交融出來的應用是出乎意料的。比如，如果你想用奈米技術製造一個能夠儲存和延續上萬年的資料儲存裝置，只要先看下大自然的發明：DNA。DNA在非常小的空間裡儲存了大量的資訊，在理想的情況下，真的能做到“萬年不朽”。可以說，DNA儲存良好的化石就是目前這個星球上“發明”出來的最令人驚歎的儲存器，且遠在計算機之前就出現了。

以此為鑑，2015年，瑞士蘇黎世聯邦理工學院（Swiss Federal Institute of Technology，ETH Zurich）的羅伯特·格拉斯（Robert Grass）製造了一個“人工化石”的樣本，並且將阿基米德古代數學的經典《機械定理的方法》和《瑞士1291年憲法》編碼儲存了進去。

挑戰“室溫超導”

奈米技術如何影響和改變資訊科技？在奈米技術作用於資訊科技方面，一個重要的領域是“室溫超導”，超導是指導電材料在溫度接近絕對零度的時候，材料中電阻趨近於0的性質。超導體是能進行超導傳輸的導電材料，但由於很難在室溫下工作，超導體在實際應用中（如磁懸浮火車，醫院使用的核磁共振成像機器等）非常昂貴，因為機器上的超導體必須一直被人工冷卻。

如果室溫超導能夠實現，這將是一個夢幻般的解決方案，因為超導體在導電上“毫無浪費”。如今的電子和電氣裝置中使用的導線一點也不“超級”，例如，從發電廠傳送到普通家庭的電力6％由於電阻而丟失。事實上，超導體的功率把手將不再需要將低壓交流電轉換為高壓交流電，現在電廠需要用大變壓器做轉換，因為我們需要高壓交流電進行長距離的電力傳輸。

計算機和手機的電子電路可以用超導體制成的話，將大大節省電能並降低熱量。這對交通運輸的影響也將是巨大的，我們的下一代鐵路都將成為磁懸浮鐵路。我們距室溫下實現核聚變的夢想會更接近（一直以來，科學家們努力研究可控核聚變，因為核聚變可能成為未來的能量來源。核聚變燃料可來源於海水中富含的氘等氫同位素，所以核聚變燃料是無窮無盡的）。

今天的核聚變反應堆需要使用特殊的磁鐵來產生能觸發核聚變所需的強磁場，但與此同時，電線承載的電流溫度會呈幾何級數迅速上升，由於這個因素並不可控，我們目前在核聚變方面能做的還非常有限，而超導導線將允許我們向磁鐵中輸送大量的電能，卻不用擔心爆炸問題。

雖然有很多科學家們都致力於“室溫超導”，但目前還很難說到底取得了多少進步。那麼，奈米技術可以建立在室溫下工作的超導體嗎？2014年，倫敦奈米技術研究中心克里斯·皮卡德（Chris Pickard）的團隊和斯坦福大學沈志勳的團隊提出了讓石墨烯變成超導體的一種方法，但該方法是否會奏效目前還言之過早。

2014年，德國馬克斯—普朗克研究所米哈伊爾（Mikhail Eremets）的團隊在比絕對零度高的溫度下用氫硫化合物實現了超導性（零下70攝氏度，相對來說，幾乎是“室溫”）。[12]

在過去的幾年裡，為了實現更高溫度下（高於絕對零度）的超導，科學家們還把眼光轉向了鐳射技術。2014年，德國馬克斯-普朗克研究所的安德烈亞·卡瓦萊裡（Andrea Cavalleri）使用鐳射實現了室溫超導……但持續時間只有0.000000000002秒；2016年，同一團隊再次成功了，不過這次他們使用的是“富勒烯”分子，而富勒烯分子處於圓筒形時其實就是碳奈米管，也就是說，研究者將這種超導富勒烯加熱到103K，但只持續了不到一秒鐘的極小的一部分。

我一直好奇當室溫超導體成為常見的材料後會發生什麼。科學家們可能還沒意識到那也許將會是一場環境災難，想象一下一堆一堆由我們的電視機、電腦、手機、變壓器等組成的垃圾，如果室溫超導體被大規模生產了，我建議大家先投資幾家可回收電子垃圾的公司吧！

“拯救”摩爾定律奈米技術可以幫助繼續維持摩爾定律嗎

摩爾定律允許“更小”和“更強大”共存，這一趨勢已成功演化了近50年，但物理學家們清楚地知道，我們目前的水平正在接近物理極限。

計算機科學開始之初，硬體上的進步都是被軍隊、太空探索專案等政府機構的需求推動的。計算機是在“二戰”之中誕生的，之後的進步主要由NASA或DARPA（全稱為Defense Advanced Research Projects Agency，美國國防部高階研究計劃局）推動。DARPA是美國國防部重大科技攻關專案的組織、協調、管理機構和軍用高技術預研工作的技術管理部門，主要負責高新技術的研究、開發和應用。如果不是這些大的政府機構，那也會是一些大的計算機巨頭公司來推動硬體變革，因為只有它們有執行大量計算的需求和鉅額投資能力。

我們這個時代發生的一個重大變化是，硬體不斷改變的壓力來自消費類電子產品。NASA、DARPA和一些大公司根本不在乎“浪費電”來執行大型計算機，但消費類電子產品的廣大使用者們承受不了，他們想要越來越小的計算機。

正是摩爾定律讓我們使用的電子裝備發生了翻天覆地的變化。幾乎每十年，電腦都會“大變身”。從20世紀60年代的大型主機到70年代的小型機，從80年代的個人電腦至90年代的膝上型電腦，再到2000年後無處不在的智慧手機。如今正在發生的變革則是為物聯網而生的嵌入式處理器。

我們一直認為，下一個十年也會因新一代計算機裝置的誕生而完全不同，但是，如果摩爾定律“失靈”了怎麼辦？如果我們所有的電子產品都停留在目前水平又會怎樣？後果大概就會像高速行駛的火車驟然停下一樣。

事實是，摩爾定律從2005年英特爾和AMD推出他們的第一個“雙核”處理器時就已經開始失靈了，因為摩爾定律最初就是對能被“擠”進一個電子晶片的電子元件（電晶體）的數量而言的（1971年，英特爾推出的全球第一顆通用型微處理器4004，由2 300個電晶體構成。當時，公司的聯合創始人之一戈登·摩爾提出後來被業界奉為信條的摩爾定律——每過18個月，晶片上可以整合的電晶體數目將增加一倍，意味著運算速度即主頻就更快）。2000年開始，我們才將摩爾定律跟晶片的計算能力聯絡起來。英特爾2015年推出的“Xeon Haswell-EP”處理器聲稱具有55億個電晶體，計算能力大大提升，事實是它具有“18核”。最初的微處理器基本上是一臺電腦對應一個晶片，“雙核”乃至“多核”微處理器其實是將多臺電腦放在一個晶片上，即在一枚處理器中整合兩個或多個完整的計算引擎（核心）。

此外，單個電晶體的價格自從因為臺灣半導體制造公司（TSMC）2011年推出了28奈米（28nm）晶片後其實是在上漲，而不是下降。2012年以後，英特爾就開始用不同的晶體管了，即“三柵極”電晶體。也有很多人將其稱為“FinFet”（鰭式場效應電晶體，是一種新的互補式金氧半導體電晶體）電晶體，它最初是加州大學伯克利分校的胡正明（Chenming Hu）教授1998年發明的，胡正明的一個學生崔梁圭（Yang-Kyu Choi）在韓國科學技術院（KAIST）建立了納米技術實驗室，之後在FinFet電晶體上開創了一個又一個紀錄。

2015年，英特爾釋出第六代微處理器Intel Skylake，採用14納米制程（比Intel 4004處理器強大40萬倍），之後，英特爾卻宣佈其10奈米處理器Cannonlake將被推遲至2017年。14奈米也好，10奈米也好，“奈米”規模說的都是晶片上電晶體之間的間隔距離。英特爾第一個微處理器英特（Intel 4004）的電晶體間距是1萬奈米，約有一根頭髮的十分之一寬。經過幾十年的壓縮後，如今達到14奈米。在這個尺度上再往下操作的難度和成本實在是太大了。

Intel Skylake的電晶體大約由100個原子組成，如果繼續壓縮，10年以內我們應該就能有2奈米的微處理器，因為一個原子的直徑只有大約0.2奈米，意味著這些電晶體需要在僅有10個原子寬的空間工作！技術上是可行的，但價格會高到消費者難以承受。畢竟，如今建造微處理器工廠的成本已經達到數十億美元。

除成本因素外，讓晶片實現更快的速度，卻不產生過多的熱量已經變得越來越難了。因為，增加晶片的時鐘速度（clock speed，振盪器設定的處理器節拍，也就是由振盪器產生的每秒脈衝次數）一定會增加其電能消耗，進而一定會使其產生更多熱量。換句話說，如果想要繼續壓縮晶片，將更多的矽元件整合到一個極小的空間上，它們不可避免地會產生更多的熱量。發明一個集微小、功能強大和價格便宜於一身的晶片並不難，但如果同時需要使用昂貴的冷卻機制來給晶片降溫，這樣的晶片就毫無用處了。

英特爾和其他晶片巨頭解決這個難題的辦法是，在一個晶片上增加多個處理器。即上文提到的，從2005年開始英特爾等巨頭相繼推出“雙核”乃至“多核”微處理器，但“多核”之路面臨諸多來自軟體演算法、安全效能等多方面的挑戰，英特爾曾最多展示過80核的微處理器，但並未能商業化。

即使英特爾和其他晶片巨頭們找到了冷卻電路的方法，這些微小的電路也正在接近幾個原子的大小，只比大多數病毒小一些。在超低溫情況下，這些微小的電路會開始出現量子效應（quantum effects），這會讓它們變得不穩定。

2016年，英特爾執行副總裁之一威廉·霍爾特（William Holt）公開承認，英特爾不打算在7nm以下的晶片中繼續使用矽了。這沒什麼好奇怪的，早在2014年，IBM就宣佈投資30億美元到“後矽時代”的計算機技術上，並特別提到了7nm的這個門檻。到那個時候，矽谷再叫“矽”谷就不合時宜了。霍爾特提出，屆時，“自旋電子學”（spintronics，自旋電子學是一種使電子充電和旋轉均能用於攜帶資訊的新技術，具有廣泛的應用潛力）可能會替代今天的“電子產品”。

業內巨頭們一直在尋找解決方案。2012年，IBM宣佈發明了同時使用電力和光纖連線的晶片，並在2015年釋出了很多改進版本。2015年，麻省理工學院的拉傑夫·拉姆（Rajeev Ram）宣佈，他的研究小組（與加州大學伯克利分校合作）也建造出了這樣的“光電”處理器。

然而，奈米技術提供了透過奈米電路來從根本上解決這個問題的可能性。石墨烯“奈米帶”1996年被藤田光孝（Mitsutaka Fujita）從理論上提出後已經二十年了，它可以取代矽半導體，提供更高的電晶體密度和時鐘速度。問題是如何製造出石墨烯“奈米帶”。目前，加州大學洛杉磯分校的保羅·維斯（Paul Weiss）、加州大學伯克利分校的費利克斯·菲舍爾（Felix Fischer）和威斯康星大學的邁克爾·阿諾德（Michael Arnold）正在實驗提高石墨烯“奈米帶”產量的方法。

石墨烯總是在“最具希望的新材料列表”的前端，但也不是解決這個問題的唯一希望。為了取代矽，世界各地的研究者都在尋找可能的二維材料。石墨烯在取代矽上的問題是它導電效能太好了，大多數科學家們都更想找到類似矽的半導體材料。自2010年以來，當洛桑聯邦理工學院的安德拉斯·克什（Andras Kis）用類似矽的新材料建造出電晶體以後，這種被稱為“TMDC”（過渡金屬二硫族化合物transition-metal dichalcogenide）的材料已成為取代矽的候選者之一。

2016年，英國計算科學中心的馬杜·梅農（Madhu Menon）的團隊發現了一種新材料，只有單原子層那麼厚，像石墨烯一樣，但它又是半導體，像矽一樣。這種新材料又是在我們的星球上很容易可以找到的三種元素製成的，它們分別是矽、硼和氮。[13]

矽仍是未來電子電路的候選材料，繼續使用矽還是有希望的，但它可能需要以完全不同的方式被使用。比如，用來傳遞光，而不是傳遞電子。研究者發現，繼續使用矽電晶體，但使用光來傳輸資訊，也能使計算機的效能得到極大提升。問題是，我們早已使用光纖電纜來傳輸全世界網際網路上的資料，但在晶片上，我們仍在使用銅線將一個電路的資訊傳輸到另一個電路，原因就在於光纖電纜難以壓縮到電子晶片的奈米尺寸裡，銅線可以做到，光纖電纜卻做不到，壓縮光的波長太難了。

2016年，來自加拿大阿爾伯塔大學的薩滿·賈哈尼（Saman Jahani）和來自美國普渡大學的祖賓·雅各布（Zubin Jacob）發現了一種用基於矽的透明超材料來壓縮光的辦法，意味著未來有一天，我們的計算機可能會是用矽基光子電路做成的。[14]

其他值得一提的是，道格·巴拉格（Doug Barlage）的團隊在加拿大阿爾伯塔大學開發了一種新型電晶體，可以說是1959年貝爾實驗室發明的“MOSFET”（金屬—氧化物半導體場效應電晶體，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，一種可以廣泛使用在類比電路與數位電路的場效電晶體）電晶體的進化版，可以用來製造非常薄，且具有彎曲能力的電子裝置。[15]

不過，摩爾定律對硬體來說已經到極限了，但對軟體來說，還沒有一個可以命名的類似規則。大家容易忽略的是，軟體的價格也一直在以指數速度下降，如今大多數應用程式都是免費的。軟體的費用從20世紀70年代動輒數百萬美元，到現在直降為零，這帶來的影響和改變也是巨大的。

不容迴避的是，如果微處理器的進步就此打住，後果將波及很多領域。比如人工智慧，人工智慧今天的很多進步主要都來自“暴力破解”，靠使用越來越強大的處理器來分析和計算。再比如虛擬現實，使用者體驗的逼真度跟處理器的速度也分不開。又比如物聯網，嵌入式微處理器是物聯網提供無時、無處不在的計算能力的重要支撐……

目前給我們希望最多的還是奈米技術，換言之，如果奈米技術失敗了，未來10~20年的世界會相當枯燥，我們的電子裝置在效能上將原地踏步，很多夢想的改變會一直停留在“夢想”中。摩爾定律可能會停止，數字裝置可能只有非常小的進步。我們對數字裝置的更新換代已經如此習以為常，但很可能未來的數字裝置並沒有什麼改變。如果奈米技術失敗了，世界會無聊很多。

不過，我們可以“自我安慰”的是，這也不是第一次人類期待的進步戛然而止了。比如飛機，如今的飛機跟20世紀60年代是同樣的速度，雖然1969年的協和式超音速飛機更快，但因為公眾的安全憂慮很快退出了歷史舞臺。沒有“更快”的飛機並沒有讓人們特別失望或乾脆不再使用飛機了，這意味著“更快”可能並不總等於“更好”。而且，製造晶片的鉅額費用迫使零散的公司們合併成大型企業集團。如今，半導體市場被英特爾、三星、臺積電等少數大企業主導（高通、AMD和其他公司也賣晶片，但這些晶片多由代工廠在亞洲製造）。目前的這種情況跟飛機和汽車製造業很相似，想讓這些大公司自己發起重大變革總是比較困難的。

再造計算機奈米技術能否幫助再造計算機

製造計算機還有別的方法，可以用憶阻器替代電晶體，這尤其有望推動模擬儲存和人工智慧領域的進步。

不過，在短期內，奈米技術對計算機的主要貢獻實際上是儲存裝置。如今我們的計算機使用的是一種稱為“D-RAM”的動態隨機存取儲存器，但它很不穩定，當你關閉裝置時，所有資訊都會丟失，你需要“儲存”正在進行的工作到磁碟中去，當你再次開啟裝置時，這些資訊必須再從磁碟複製回記憶體器裡，這也是為什麼數字裝置需要“啟動”。

改變這種情況的方法是，使用憶阻器代替電晶體，憶阻器是一種穩定的元件，當電源關閉時它們不會失去正在處理的資訊。簡單地說，憶阻器是一種有記憶功能的非線性電阻。早在1971年，加州大學伯克利分校的蔡少棠（Leon Chua）就提出了可能存在可以測量電流的第四種電子元件——憶阻的理論。但要證明憶阻理論，需要在奈米尺度上進行操作。

得益於奈米技術的推動，2008年，惠普的斯坦·威廉斯（Stan Williams）證明了“憶阻器”的存在和實用性。憶阻器不是電阻器，不是電容器，也不是電感器，它是第四種電子元件，具備的屬性是原來的三種電子元件以任意方式組合都不能得到的，具備其他電子元件沒有的諸多優點。憶阻器的表現就像大腦中的突觸一樣，其特性取決於曾有多少電流經過它，就像突觸的“實力”取決於它們是否被經常使用一樣。

目前的人工神經網路並非硬體裝置，它們是在數字計算機上執行的軟體演算法。如今人工智慧所有的“深度學習”系統，事實上也都是在數字計算機上執行的計算機數學。然而，數字計算機執行的是二進位制邏輯，資訊需要被轉化成用0和1表示的一串數字訊號，不管能轉換的數字多麼精確，都無法最完整地呈現原始資訊，而模擬訊號卻能完整呈現，憶阻器具備的“模擬”特性以及它與突觸的相似性決定了它可能是構建人工神經網路的更好乃至絕佳材料。

有很多科學家在這方面進行了探索和嘗試。2010年，密歇根大學的科學家們首次將半導體神經元和憶阻器突觸放到了一起。[16]

2015年，加州大學聖巴巴拉分校德米特里·斯特魯科夫（Dmitri Strukov）的研究團隊建成了一個人工神經網路，由約100個用金屬氧化物憶阻器做成的人工突觸組成。[17]

2015年，來自美國新墨西哥州的一名創業者聲稱他們已經用憶阻器建成了一個模擬晶片，專門應用於機器學習。

同年，俄羅斯科學家們在曾經開發了蘇聯核武器的庫爾恰托夫研究所（Kurchatov Institute）也建成了由塑膠憶阻器做成的人工神經網路。[18]

如今的磁儲存技術也可以從奈米技術中受益。2011年，來自加州聖何塞IBM阿爾馬登（Almaden）研究中心的安德烈亞斯·海因裡希（Andreas Heinrich）的團隊將儲存一個位元（a bit）所需的原子數量從原來的100萬減少到12個。在實踐中，這意味著磁性儲存器相比最流行的硬碟和儲存器晶片，能帶來多達100倍的儲存密度。研究者們在操縱單個原子上的技術越來越讓人印象深刻，2012年，澳大利亞新南威爾士大學的米歇爾·西蒙斯（Michelle Simmons）和美國普渡大學的格哈德（Gerhard Klimeck）甚至用單個原子（磷原子）建立了一個電晶體。

幫助製造量子計算機奈米技術跟量子計算機有關係嗎

奈米粒子可以同時處於兩種狀態（同是0和1），這正是量子物理學的特性。因此，奈米技術與量子計算機自然會有交集。

“量子計算”的概念可以追溯到1982年，由偉大的物理學家理查德·費曼提出，可以透過利用量子疊加原理儲存資訊。與傳統計算機的二進位制相比，量子計算的基本單元是原子尺度的單位，即“量子位元”（qubit），它們能夠同時是0和1的疊加態。多量子位可以與所謂的“糾纏態”聯絡到一起，單獨的一個量子位的改變就可以影響到整個系統。

實踐中，這意味著一臺量子計算機可以同時執行多個平行計算。比如，同時進行多個搜尋任務。假如要在1 000本書中搜尋一個特定的記號，普通計算機需要逐一搜尋，而量子計算機可以同時搜尋1 000本書。也就是說，量子計算機可以同時解決多個問題，這種超快速度帶來的改變和影響是極具想象空間的。

1997年，英國物理學家科林·威廉姆斯（Colin Williams）和施樂帕克研究中心的斯科特·克利爾沃特（Scott Clearwater）出版了一本名為《探索量子計算》（Explorations in Quantum Computing）的書，具體描述瞭如何製造一個量子計算機。

1999年喬迪·羅斯（Geordie Rose）和亞歷山大·扎戈斯金（Alexandre Zagoskin）兩位量子物理學家在加拿大建立了D-Wave公司來製造量子計算機。2007年，D-Wave在位於加州山景城的計算機歷史博物館展示了第一臺量子計算機樣品，雖然很多專家持懷疑態度，但D-Wave還是在2011年出售了第一款商用量子計算機。目前，D-Wave的投資者名單中包括亞馬遜的創始人傑夫·貝索斯以及美國中央情報局，它的購買客戶則包括NASA和谷歌。

除D-Wave公司外，目前量子計算機最令人興奮的研究可能正在2006年成立的聯合量子研究所（JQI）進行，該研究所由美國國家標準與技術研究院（NIST）、美國國家安全域性（NSA）以及馬里蘭大學（位於華盛頓特區附近）共同建立。2009年，NIST釋出了一個通用可程式設計的量子計算機，但幾乎還沒有實際應用，研究成果主要停留在理論層面。

目前量子計算機方面的主要研究進展包括：2013年，馬克·華納（Marc Warner）的團隊在倫敦奈米技術中心發現，染料中名為“銅酞菁”（copper phthalocyanine）的電子在疊加態保留了很長時間，這意味著也許他們發現了適用於量子計算的矽。

2014年，荷蘭代爾夫特理工大學在相隔3米的兩個量子位元（quantum bit）之間以零錯誤率傳遞了資訊，這是一個重大的成就。2015年，NIST在超過100kms（絕對的度量單位）的距離下成功傳遞了量子資訊，NIST的一位科學家大衛·維因蘭德（David Wineland）被授予了2015年的諾貝爾獎。

2016年，馬里蘭大學克里斯托弗·門羅（Christopher Monroe）的團隊推出了五位量子位元模組（five-qubit modules），它可以合併大量的量子位元來創造量子計算機。

D-Wave此前聲稱他們已經制造了一個有1 000多個量子位的量子計算機，科學家們對此還是持懷疑態度，但與D-Wave不同的是，克里斯托弗的實驗任何大學都可以複製並驗證。同樣在2016年，IBM將五位量子位元模組的計算機放在了雲上，推出基於雲的量子計算平臺——Quantum Experience。

製造量子計算機存在兩個主要問題。第一個問題是，大部分量子計算機用的是超導電路，因為量子計算在超導狀態下更易實現，但是超導需要非常低的溫度，同樣的問題，在室溫超導成為可能之前，冷卻過程非常昂貴。第二個問題是，超導量子位元不穩定（這是量子物質的特性）。

谷歌和IBM在這一領域非常活躍。2013年穀歌購買了一臺D-Wave的量子計算，2014年穀歌簽下了約翰·馬蒂尼斯（John Martinis）教授，他在加州大學聖巴巴拉分校研究量子位元已經超過了10年。

量子位元的質量可不是小事，D-Wave的量子位元就沒有約翰·馬提尼教授研發出來的穩定可靠。谷歌簽下這位教授真正引發了跟IBM之間的競爭。2015年，馬提尼的團隊研發出了一個高度可靠的架構：9個量子位元排成一條線。幾個月後，IBM在紐約的團隊聲稱他們研發出了相似的架構：4個量子位元以2個為一組排列。兩大巨頭在競爭誰能發明第一個通用量子計算機。

此外，諾基亞貝爾實驗室的鮑勃·威利特（Bob Willet）和微軟的邁克爾·弗裡德曼（Michael Freedman）正在尋找一種不同的量子位元的“拓撲量子位元”，希望它不會存在超導量子位元的問題。

量子位的產生可以依靠幾種不同的方法，包括電子自旋、原子能級和光子量子態。光子能夠在很長的距離和時間週期內很好地儲存糾纏態。但是產生穩定可量的光子糾纏態是一大難題。2016年，來自加拿大國立科學研究所（INRS）的羅伯託·莫蘭多蒂（Roberto Morandotti）教授團隊在這個問題上有了重大突破，他們開發出了一種光學晶片，晶片上的量子頻率梳可以用來同時產生多光子糾纏的量子位元狀態，有望幫助量子計算機解決諸多發展道路上的障礙。

“隱身”不再遙遠

奈米技術接下來要順利發展的話，我們就需要一個大的“成功故事”。石墨烯還不足以抓獲公眾的想象力，也許它並不像科學家們原來以為的那樣“強大”吧。我的朋友珍妮弗·迪翁（Jennifer Dionne）是斯坦福大學的奈米技術實驗室的負責人，她總是開玩笑說，孩童時代讀哈利波特的小說時，她的夢想就是製作出“隱形斗篷”，而如今奈米技術可以讓她夢想成真了！珍妮弗目前正在研究一種可以讓物體“隱形”的材料，這不僅有趣也會有很多實際的應用意義。

2006年，來自北卡羅來納州杜克大學的大衛·史密斯（David Smith）實現了最初由倫敦帝國學院的約翰·彭德里（John Pendry）提出的構想：如果你能用可以彎曲電磁波的材料（光是一種電磁波）覆蓋一個物體，你就能讓該物體隱形。彭德里開創了“超材料”科學，即那些在自然界中不存在的材料科學［實際上，蘇聯物理學家維克托·韋謝拉戈（Victor Veselago）在1968年已經提出了理論設想］。

大衛·史密斯就使用了這樣一種超材料來彎曲物體周圍的微波，從而使物體不可見。略為遺憾的是，這種超材料也只能在微波範圍內發揮作用。

2005年，安德里亞·阿魯（Andrea Alu）提出了“等離子隱形”的概念，同樣，他使用的也是超材料。2012年，他的團隊成功製造了第一個超材料斗篷，只有幾微米厚，可適用於空間中的3D物體。[19]

然而，它也只對微波發揮作用。能使所有光波都彎曲的“隱形斗篷”還沒有人發明出來。而這恰恰可能是奈米技術發揮用武之地的機會，如果奈米技術在這方面成功了，一定會再次引發轟動。

用奈米技術製造奈米技術

在奈米尺度操作物質以及製造奈米材料都是非常昂貴的，這是目前整個行業面臨的最簡單也是最直接的門檻，大實驗室的解決方案非常簡單：花更多的錢打造更強大（和更昂貴）的顯微鏡以及各種工具。但我認為，除非我們弄清楚如何使用奈米技術本身來製造奈米材料、裝備等；否則奈米技術肯定沒辦法“便宜”，而只要在奈米尺度上工作仍舊如此昂貴，批次生產並投入市場的奈米材料、裝備等就不會出現。

值得強調的是，我們“巨大”的手指和“巨大”的眼睛根本不是處理微觀事物的“自然”方式，我們需要同樣處於原子尺度的微觀手指和微觀眼睛來操作，我們需要用奈米技術來製造奈米技術。

全世界所有的科學家們都在研究如何降低“納米制造”的成本。在灣區的流行技術是膠體合成法（colloidal synthesis），加州大學伯克利分校的保羅·阿利維薩託斯（Paul Alivisatos）至少從1996年就開始探索了。

奈米壓印光刻技術是1995年由明尼蘇達大學的史蒂芬·周（Stephen Chou）最先提出，2012年，維也納科技大學的于爾根·斯坦普弗爾（Juergen Stampfl）發明了一種名為“雙光子光刻技術”的快速奈米3D列印技術，用這種技術可以打印出非常小的物體。

2014年，首爾國立大學的金浩揚（Ho-Young Kim）開始用這種技術來製造奈米物體。科林·拉斯頓（Colin Raston）發明的“渦旋流體裝置”（Vortex Fluid Device，VFD），這種裝置在製造具有實際應用的精密碳奈米管時非常有用。[20]

解決這個問題的另一種辦法是，將奈米顆粒程式設計，讓它們自己組裝成複雜的結構。這種方法也是大自然在處理蛋白質時採用的解決方案。來自美國勞倫斯伯克利國家實驗室（Lawrence Berkeley National Laboratory，LBNL）的徐婷正在進行這樣的研究。2014年，她發表論文稱，已證明奈米粒子可以在一分鐘內形成高度“組織”的薄膜。[21]2015年，她與加州大學戴維斯分校的凱瑟琳·費拉拉（Katherine Ferrara）以及加州大學舊金山分校的約翰·佛薩耶斯（John Forsayeth）和克里斯托夫·班奇維茲（Krystof Bankiewicz）合作，正在創造一種可以自組裝的奈米粒子，它們能將化學物質輸送到大腦中，用以對抗癌症。

如果目前這些技術中的任意一種能夠成功降低納米制造的費用，那麼，奈米技術就可以華麗騰飛。

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