最前沿的科技復活了古代智者的夢想——鍊金術

2020-11-07 賣報紙的小青年


最前沿的科技復活了古代智者的夢想——鍊金術。

只要一束"正確"的雷射，就可以把石頭變成麵包，讓橡膠堅硬如花崗巖或者把讓鋼鐵變得柔韌。21世紀的鍊金術，原則上不僅能夠使鉛——至少在表現上——化為黃金，而且能夠把普通材料轉變為超導體。

近幾十年已經發展出使用定製的光脈衝來重塑原子和分子的電子云的技術。今年夏初，紐奧良圖蘭大學的一組研究人員擴展了上述想法。他們將脈衝策略應用於固體和散裝材料，重塑物質的規律，調控物質由化學和結構所決定的特性。 使用量子控制，「幾乎可以使任何事物看起來像任何事物。」

同時，其他研究人員又使用光脈衝增強了材料的超導性。

但是，現代鍊金術的真正價值可能還不在於轉變物性，而是作為更具啟示性的工具。類似的技術可以被用於光學計算機。剝奪或額外開啟物質的特定化學屬性，將有助於分析複雜的混合物(比如說將某不可溶的產物變為可溶，可以更方便過濾其它不可溶的產物)。理論上這一技術的極限，就是我們想像力的極限。現實局限性僅僅源於我們對光與物質相互作用的理解和控制程度。

自大半個世紀前，雷射技術問世以來，大量科學家很快意識到，可以用雷射來操縱分子，因為分子的電子云會響應雷射的電磁場——在雷射電磁場下，所有波都會逐步連貫地振動。但是要達成有意義的效果，就需要更加精細和迅捷的操作。

在1980年代末和1990年代初，我們擁有了飛秒雷射學。雷射能夠選擇性地刺激和探測運動。然而，為了真正控制，普林斯頓大學的化學家Herschel Rabitz在1990年代初指出，人們需要創造出特定的脈衝：複雜的波形可能會沿著特定的路徑引導分子的行為。幸運的是，當時光通信領域就在使用於脈衝整形術。

但是挑戰是艱巨的。要控制宏觀物體(如滑翔機)的路徑，需要知道它之前的軌跡。對於量子力學系統，等效的是知道其量子波函數如何隨時間演化，這由被稱為哈密頓量的數學函數確定。麻煩之處在於，除了最簡單的系統(例如氫原子)以外，漢密爾頓方程對於研究人員來說太龐大複雜了，以至於無法精確地計算波函數的動力學。

缺少理論計算的指導(需要預先計算所需的控制脈衝)，唯一的選擇似乎就是反覆試驗。

現在，圖蘭大學的Gerard McCaul和Denys Bondar，提出一種用於預先計算所需脈衝的理論方案。

在量子力學中，物質的特定屬性(如電導率或光透明性或反射率)對應於可觀察量的平均值或「期望值」。如果得到了某種物質的波函數，並且知道使用的是哪種光脈衝，則可以預測結果(期望值)。

Bondar的團隊逆向思考問題：首先要獲得想要的結果(期望值)，然後計算產生該結果的光脈衝。為此，我還需要了解系統的波函數，或者等效地了解其哈密頓量。但這沒關係，只要可以確定足夠好的近似值即可。

Bondar說：「我們將系統視為電子云，用雷射脈衝使雲變形。」

目前，已有實驗讓金屬鈉表現出鉀的某些物理特性。

但量子相干控制的潛在用途，並不在於實現物質的模擬性，而是以將光與物質耦合的方式進行「交易」。一種用途就是光學計算。

光束原則上是信息的重要載體，因為我們可以一次使用多個波長將大量信息塞入其中。但有個根本阻礙——很難讓兩束或更多束光進行「交流」。與電子不同，「光討厭與光相互作用。」

Bondar控制方案闡述應如何實現這種耦合：原理上，由控制光束操縱一塊物質，讓物質像單個原子一樣。然後，包含輸入數據的第二束光束與物質相互作用。交互作用轉換數據以執行計算。 「這為單原子計算開闢了道路。」

更驚人的是，這一光學方法或許在某些問題上極具優勢，如因式分解。McCaul和Bondar認為，有可能用經典光學實現被稱為Shor算法的量子分解算法，這是最早為量子計算機提出的算法之一。

Bondar說：「將經典計算納入歷史垃圾箱還為時過早。」


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