分子计算：用分子做成电路

　　在分子计算中，代表1和0的是分子，而不是晶体管。当分子是生物分子时（如DNA），这类计算称为分子计算（参阅下文的“生物计算：能存活的芯片”）。为了区分，工程师可能会将非生物分子计算称为分子逻辑或分子电子学。

　　典型的晶体管有三个端子（可以想象成字母Y）：源极、栅极和漏极。对栅极（Y的下半部）施加电压后，就会引起电子在源极和漏极之间移动，形成1或0。从理论上来说，树枝状分子会引发信号以类似的方式移动。十年前，耶鲁大学和赖斯大学的研究人员利用苯作为一种构建材料，研制出了分子开关。

　　分子可能很小，所以用分子做成的电路可能比用硅做成的电路小得多。不过，一个现实的难题是必须找到制造复杂电路的方法。研究人员们认为，自组装也许是一种解决办法。2009年10月，宾夕法尼亚大学的一个科研小组单单利用促使自组装的化学反应，就把锌和结晶硫化镉转变成金属－半导体超晶格电路。

　　量子计算：表达出更多的信息

　　用一个个原子、电子甚至光子做成的电路元件将是尺寸最小的元件。在这么小的尺寸范围内，元件相互之间的联系由量子力学（即解释原子行为的一套定律）管理。量子计算机可能拥有异常惊人的密度和速度，但实际制造量子计算机及管理随之出现的量子效应却困难重重。

　　原子和电子具有能在不同状态下存在的特性，能够组成量子比特（Qubit）。研究处理量子比特的几种方法正在试验中。一种名为自旋电子（Spintronics）的方法使用电子，电子的磁矩会在两种旋转方向中选择其一。就好比一只球往一个方向或另一方向旋转（分别表示1或0）。不过，两个状态还能共存于一个电子中，形成一种独特的量子状态，名为0和1的叠加（Superposition）。在叠加状态下，一连串电子可以表示比一串只有普通比特状态的硅晶体管多得多的信息。加州大学圣巴巴拉分校的科学家们已通过用蚀刻到金刚石上的空腔来俘获电子，做成了许多不同的逻辑栅极。

　　在马里兰大学和美国国家标准技术研究所研究的另一种方法中，一串离子悬浮在带电板之间，而激光可以快速转动每个离子的磁定向（量子比特）。第二种方法是检测离子发射出来的不同种类的光子，种类取决于离子的定向。

　　除了具有叠加优点外，量子元件还能表示出更多的信息，如多个量子比特的信息状态可以结合起来，从而获得处理信息。

　　生物计算：能存活的芯片

　　生物计算用通常存在于生物体内的结构取代晶体管。备受关注的是DNA分子和RNA分子，它们中存储着决定人体细胞生命的“编程信息”。一种令人遐想的远景是，尽管一块小指甲大小的芯片可能含有10亿个晶体管，而一个同样尺寸的处理器可能含有数万亿个DNA链。DNA链可以同时处理某项计算任务的不同部分，并且相互结合起来，以给出解决方案。除了元件数量多出几个数量级外，生物芯片还有望提供大规模并行处理功能。

　　早期的生物电路通过组合及分开DNA链之间的键来处理信息。研究人员现正在研究可以在细胞里面存储及复制的“遗传计算机程序”。而面临的挑战是，找到对成批的生物元件进行编程的方法，以便它们能按预期的方式进行工作。这种计算机最终可能会首先出现在人体内流动的血液中，而不是办公桌面上。以色列雷霍沃特魏茨曼科学研究所的研究人员已利用DNA研制出一种简单的处理器，他们现正在努力让处理器组件可以在活生生的细胞里面工作，并与细胞周围环境进行通信。

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　　石墨烯材料的特点

　　石墨烯（Graphene）是一种从石墨材料中剥离出的单层碳原子薄膜，是由碳原子组成的蜂窝状二维晶体。该材料具有许多新奇的物理特性。首先石墨烯具有远比硅高的载流子迁移率，是一种性能优异的半导体材料。此外，石墨烯还可用于制造复合材料、电池/超级电容、储氢材料、场发射材料以及超灵敏传感器等。

　　科学家们对石墨烯感兴趣的原因之一是受到碳纳米管科研成果的启发。石墨烯很有可能会成为硅的替代品。在制作复杂电路时，纳米管必须经过仔细筛选和定位，目前还没有开发出非常好的方法，而这对石墨烯而言则要容易得多。

　　硅基的微计算机处理器，在室温条件下每秒钟只能执行一定数量的操作，然而电子穿过石墨烯几乎没有任何阻力，所产生的热量也非常少。此外，石墨烯本身就是一个良好的导热体，可以很快地散发热量。由于具有优异的性能，用石墨烯制造的电子产品运行的速度要快得多。

　　石墨烯器件还能用于需要高速工作的通信技术和成像技术，能用来探测隐藏的武器。然而，速度还不是石墨烯的惟一优点。硅不能分割成小于10纳米的小片，否则其将失去诱人的电子性能。与硅相比，石墨烯分割成一个纳米的小片时，其基本物理性能并不改变，而且其电子性能还有可能超常发挥。