新时代的炼金术——通过光学脉冲实现“点石成金”
- 虽然它不像把兔子变成独角兽那么不可思议，但正确的激光脉冲可以使一种材料表现得和另一种材料一样。
这个想法听起来很神奇，并且纯粹而简单。你用了一束光线，可以让物质消失，赋予它们不应该拥有的属性，或者把它们完全变成另一种物质。这是21世纪的炼金术，原则上不仅可以使铅变成金，而且可以将普通材料变成超导体。经过几十年的发展，一般的方法是使用定制的光脉冲来重塑原子和分子的电子云。今年夏天早些时候，新奥尔良杜兰大学的一组研究人员和他们的合作者扩展了这个想法。他们研究出了如何将脉冲策略应用于固体和大块材料。杜兰大学的杰拉德·麦克考尔说，利用量子控制，“你几乎可以让任何东西看起来像任何其他东西。”与此同时，其他研究人员已经利用光脉冲使材料具有超导性。但也许这项技术的真正潜力并不在于创造出惊人的纺织品，而在于引发其他类型的转变。光束可以用来制造光学计算机，其功能强大到足以解决诸如因式分解之类的难题。理论的可能性似乎只受到我们想象力的限制。在实践中，这些限制可能源于我们对光和物质相互作用的理解和控制程度。
脉冲计划
在20世纪60年代早期激光发明后，许多研究人员很快意识到这些设备可以用来操纵分子，因为分子的电子云可以感受到激光的电磁场并对其做出反应，在电磁场中所有的波都同步（即相干）振荡。但要想真正控制某些东西，你需要能够在其轨道变化的时间尺度上刺激或引导它——这对分子来说非常快，对电子来说更快。起初，激光脉冲不能被做得足够短，从而产生足够快的脉冲序列。然而，在20世纪80年代末和90年代初，脉冲时间缩短到了几飞秒（1飞秒相当于10^（-15秒）），接近原子运动的时间范围。这使得激光可以选择性地刺激和探测这些运动。然而，在20世纪90年代早期，普林斯顿大学的化学家赫歇尔·拉比兹和他的同事指出，要真正控制这种运动，需要整形的脉冲，复杂的波形可以引导分子沿着特定的路径运动。
- 普林斯顿大学的化学家赫歇尔·拉贝茨率先使用激光脉冲改变物质的量子特性。
为了控制宏观物体（比如滑翔机）的路径，你需要知道你想要修改的轨迹。对于一个量子力学系统，是要知道它的量子波函数如何随时间演变，这是由一个叫做哈密顿的数学函数控制的。但问题是，除了最简单的系统（比如氢原子），哈密顿方程对研究人员来说太过复杂，无法精确计算波函数的动力学。在缺乏这些知识的情况下（需要提前计算你需要什么样的控制脉冲），唯一的选择似乎是反复试验，尝试一些初始的控制脉冲，然后通过一次又一次地运行相同的实验来迭代它。对于量子系统来说，这要比滑翔机复杂得多。改变脉冲意味着增加更多的频率。问题是要弄清楚需要哪种频率组合。拉贝茨说：”这就像钢琴，但钢琴只有128个琴键。而脉冲整形可能涉及大约1000个频率成分“。现在，麦克考尔与杜兰大学的丹尼斯·邦德和他的同事们已经描述了一个提前计算所需脉冲的理论方案。在量子力学中，一种物质的特定属性——电导率，或者说光学透明度或反射率——对应于一个可观测量的期望值。如果你有一种物质的波函数并且你知道你用的是哪种光脉冲，你就可以预测结果，你将得到的期望值。邦达的团队将问题颠倒过来：从你想要达到的结果（期望值）开始，计算产生它的光脉冲。要做到这一点，你还需要知道系统的波函数（或者说是它的哈密顿函数），通常你不知道。但这没关系，只要你能找到一个足够好的近似也可以。通过这种方式，研究人员找到了将这种方法从只有少量电子可控制的小分子集合扩展到拥有大量电子的固体的方法。“我们把这个系统看作电子云，然后我们开始使电子云变形，”邦达说。控制脉冲产生一种电子必须跟随的轨迹，因此这种方法被称为跟踪控制。
- 杜兰大学的理论物理学家杰拉德·麦考尔已经精确地展示了需要什么样的光脉冲来改变材料的属性。
普林斯顿大学拉贝茨团队的理论化学家克里斯蒂安·阿伦兹正在与邦达团队合作，他解释说，这种方法使找到控制物质性质的正确领域变得容易得多。以前，控制领域的设计是一个逐步迭代改进的问题，但跟踪方法建立了“控制多体系统的新途径。
重塑固体
早期关于量子相干控制的研究主要集中在诱导单个分子发生明确定义的变化——例如，有选择地将能量注入给定的化学键，使其振动到断裂点，从而控制化学反应的进程。但是同时在材料中操纵许多电子是一个更困难的挑战。当原子在固体中聚集时，相邻原子的最外层电子壳层重叠并形成贯穿整个物质的“带”。电子和光学性质取决于这些波段的特征。例如，在金属中，能量最高的电子占据了一个未被填满的带，因此电子可以在原子晶格中移动，从而使材料能够导电。与此同时，在绝缘材料中，电子所占据的最高能带完全被填满，因此没有“空间”让这些电子移动。它们停留在原子上，材料就不会导电。量子力学效应使得电子的运动相互依赖，就像人群中一群人的运动一样，可以产生更奇特的电子行为类型。例如，在传统的超导体中，最高能量的电子会形成相互关联的电子对（称为库珀电子对），即使这两个电子可能相隔一段距离也会同步移动——就像一个人在人群中追赶另一个电子一样。这些库柏对的行为都是一样的，这给了它们不可阻挡的动量，使超导体能够在没有任何阻力的情况下导电。这就好像电子不再注意到原子核的晶格。但是什么样的材料会产生这种特性呢？通常为了找到它们，你需要在不同元素排列的海洋中钓鱼，这是非常缓慢和劳动密集型的。想象一下，通过使用光脉冲重塑电子分布的方式，我们可以在任何材料中调用所需的特性。从这个角度来看，电子带的结构并不是由材料本身固定的：电子带变成了一种橡皮泥，可以被塑造成你想要的任何形式。找到合适的控制脉冲，你就可以将一组移动电子加入到库珀对中，这样就可以用铁或铜这样的普通物质制造出超导体，而在其他条件下这是不可能的。
- 杜兰大学的理论物理学家邦达认为，在光学计算设备中实现量子因数分解算法应该是可能的。
这种利用整形激光脉冲来确定和控制材料特性的想法已经取得了成果。例如，研究人员已经用它在绝缘材料和金属材料之间切换，控制磁性，触发超导性。一般的想法是，光脉冲在能量带之间重新分配电子，从而打破了系统的一个相位和另一个相位之间的平衡——比如说，在金属和绝缘体之间。通过这种方法，研究人员已经在比通常需要的极端寒冷温度高出数十度的温度下制造出了超导性。然而，实验工作只是刚刚开始。与邦达团队合作的伦敦大学国王学院理论物理学家乔治·布斯说：“将这项研究转移到扩展固体领域，尤其是在强相关效应存在的情况下，还处于起步阶段。”阿伦茨警告说，他们对简单材料模型的计算在多大程度上“可以推广到其他现象和系统”还有待观察。无论这个策略多么成功，这些改变的属性只会在你使用控制脉冲的情况下持续存在。改造后的电子结构不会自动停留在原来的位置，就像一根橡皮筋如果你不不停地拉它，它就不会一直拉伸一样。但对于某些应用——比如在电子设备上——这可能并不重要，你可能只能在需要的时候将所需的特性“写入”到材料中。
一切可能
你可能会反对说，这种方法只会产生表面的模仿——就像一些炼金术士声称的那样，通过对另一种金属进行表面处理，产生化学反应，使其呈现出金色的光泽，从而“制造出黄金”。这并不是真正意义上的黄金。邦达不同意这种观点，他说，光学诱导转换“实际上是非常基本的。“诱导一种碱金属原子（如钠离子）光学模拟的另一个（如铷），您必须使用控制束来操纵原子的偶极矩，这是每个原子在空间中分布的不均匀方式，确定其与光电场的相互作用。邦达说：“偶极矩会影响其他因素，包括某些化学性质。” 转换不仅限于表面。然而，这并不意味着未来的激光炼金术士将有能力把任何物质变成任何其他物质。德国汉堡马克斯·普朗克物质结构和动力学研究所的物理学家迈克尔·福斯特认为，只有在特定条件下才能诱导材料中可能存在的行为。“如果一种材料根本不存在，我们就无法模拟它的反应，”他说。因此，研究人员并没有将铅变成黄金，而是从铅的东西中唤醒了一种特殊的类似黄金的反应。那么，福斯特已经在实验中研究过的光诱导超导性，就不是从零开始创造超导性的问题了，而是要使其在更高的温度下实现。”我们的相干控制脉冲只是唤醒了它，”他说。如果是这样的话，光诱导的转换实际上会走多远？你真的在这样的超导体中制造库珀对吗？这一点还不完全清楚。巴兹认为，在他们的实验中，“我们是在同步库珀对，而不是一开始就创造它们”——也就是说，让它们以一种协调的方式行动来产生超导状态。柏林自由大学的克里斯蒂安·科赫致力于研究多粒子系统的量子控制方法，她认为，要想真正地从根本上改变材料，而不是让它在表面上模拟特定的反应，研究人员需要对电子云进行非常深入的研究。这需要非常强的控制光束，这样电磁场的强度就可以与形成固有电子结构的内力相匹敌。她说，也许可以做到，但不容易。
轻视困难问题
量子相干控制的一些潜在应用并不依赖于模仿，而是依赖于它以一种“设计”的方式耦合光和物质。其中一个用途是光学计算。理论上，光束是计算机信息的重要载体，邦达说，主要是因为你可以通过一次性使用多种波长将大量信息塞进光束中。但最根本的问题是很难让两束或更多的光束相互通信。与电子不同，光讨厌与光相互作用。邦达的跟踪控制方案展示了这种耦合是如何实现的:：用一块由控制束操纵的、原则上只有单个原子那么小的物质。包含传入数据的第二束射线，然后与物质相互作用。交互转换数据进行计算。这为单原子计算开辟了道路，邦达说。更引人注目的是，使用这种光学方法可能比传统电子计算机更快地解决诸如因式分解之类的难题。应该有可能实现一种称为Shor算法的量子因子分解算法，这是最早为量子计算机提出的算法之一，使用的只是经典光学。麦克考尔还希望利用跟踪控制来分析复杂的化学混合物，这是一个经常面临的问题，例如在药物发现中。假设你有大量不同化学物质的混合物。如果你知道了每种成分的光谱，那么你就能算出混合物中有哪些化合物。但是光谱常常是相似的，所以如果有很多成分，就会变得非常困难。追踪控制可以让研究人员一次只关闭每个物质的光学反应。麦考尔已经证明，这在原则上可以促进不同化学物质之间数量级的区别。
