原子制造 未来在途

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　　作者：宋凤麒、戴庆、张敏昊（分别系南京大学教授、中国科学院国家纳米科学中心研究员、南京大学特聘副研究员）

　　智能化、数字化、自动化……未来制造业会是什么样？科学家们如今有了一个新的选择：原子制造。原子制造就是逐一精确地操控原子去制造产品，构筑原子级细锐、精准、完美而且具备超常规物性的产品。有人说，这可能是人类改造物质世界的终极能力之一。如今，这个听上去有些科幻的技术，正逐步照进现实。

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　　构筑原子级细锐、精准、完美，且具备超常规物性的产品

　　什么是原子制造？顾名思义，就是以原子为原料制造所需的材料和器件产品。它是近来被高度关注的原子级制造技术体系中的核心部分之一，将史无前例地实现对原子的逐一精确操控，将原子按需垒砌，构筑原子级细锐、精准、完美，而且具备从物理上远超常规块材物性的产品。微纳制造已成为耳熟能详的高新技术，原子制造将会成为微纳制造后人类制造技术继续微缩发展的趋势，也将成为新物质创制中的极限。

　　我们需要强调的是，原子制造应是原子级的通用化技术体系，具有颠覆性意义。绝非是传统的纳米化制造，也不是现在制造技术的线性、体系化发展。

　　可以想象，原子制造有非常广阔的应用前景。比如以下两个应用场景：

　　极限集成芯片与未来信息器件。当今微纳制造的芯片能力正在趋于极限，而原子制造能够突破这一极限，甚至有可能在集成电路中实现量子计算。一方面，如果我们突破了原子制造技术，让芯片特征尺度沿着微纳制造的路线继续缩小，就可以获得器件性能的千百倍提高。根据公开的数据，IBM的2纳米工艺每平方毫米集成了3.33亿个晶体管，也就是在100纳米×100纳米的面积上集成了3.3个晶体管。如果我们能实现单原子的垒砌、操控、存储和计算，每个原子不到0.5纳米，当代芯片的集成度还有3-5个数量级的提升空间，业已证明，这种芯片还是存算一体的智能芯片。另一方面，单原子器件量子相干性特别好，有可能让器件尺寸远远小于量子相干长度。这将带来一个重要的效果：在一个高相干的量子体积里面，有可能出现成百上千的高质量的量子逻辑比特。很多人相信，50多个高质量的量子逻辑比特就可以实现超越经典的计算能力，实现量子计算机对传统计算机的量子优势。我们知道，量子技术的比特数实际上是一个维度，所以从50位到上千位不是信息量增加了20倍，而是维度上的增加，因而有可能出现计算能力的巨大上涨，这样1毫米大的器件的计算能力，就有可能超过一个当代的超算中心。

　　人工材料创制与未来机体定制。曾有测算，一种新材料从设计到应用开发需要18年；而以往的研究告诉我们，可能要上千个材料才有1个有应用价值。很多化学家和材料学家可能终其一生都无法获得真正具有应用价值的新材料。但如果人类能实现原子制造，那就可以用原子垒砌，避开部分困难的合成路径，直接搭建分子和材料，从而形成一种快速制备新物质和新材料的物理路线，工程化地加速新材料的开发。这最起码可以让研究人员在高效合成探索之前就可以知道这些材料的基本物性，这将极大地节约科学家们的精力！我们可以工程化地设计、合成，加上检测相互迭代，每年都开发出成千上万的新材料，使人类的材料进入原子定制的时代。而类似的技术如果在尺度和效率上持续突破，人类甚至有可能实现器件和机体的定制。

杭州电子科技大学冯俊元绘

　　从操控技术到科学原理，都面临重大挑战

　　从原子底层实现自由定制的未来非常美妙，然而，科学家们也不得不承认，原子制造太难了，无论是操控技术、科学原理还是制度建设都面临着重大的挑战。我们仅以原子制造的一个典型动作——原子的定位和垒砌来说明其难度。

　　首先，操控技术上需要极致精巧。在宏观的工件上定位一个原子，相当于在地球赤道上找到一块糖；逐个垒砌原子，相当于反复多次找到这块糖，并且在这个位置上面精确地逐个放糖。要分清垒砌了一个原子还是两个原子，就相当于达到分辨约为10-25千克质量的精巧控制能力。这谈何容易！更不要说，垒砌一个原子根本不够，我们需要一个线程甚至多个线程垒砌原子，实现效率、规模更是难上加难！