最前沿 最科幻的激光炼金术来了

　　最前沿的科技复活了古代智者的梦想——炼金术。只要一束"正确"的激光，就可以把石头变成面包，让橡胶坚硬如花岗岩或者把让钢铁变得柔韧。21世纪的炼金术，原则上不仅能够使铅——至少在表现上——化为黄金，而且能够把普通材料转变为超导体。

　　近几十年已经发展出使用定制的光脉冲来重塑原子和分子的电子云的技术。今年夏初，新奥尔良图兰大学的一组研究人员扩展了上述想法。他们将脉冲策略应用于固体和散装材料，重塑物质的规律，调控物质由化学和结构所决定的特性。 使用量子控制，“几乎可以使任何事物看起来像任何事物。”

　　同时，其他研究人员又使用光脉冲增强了材料的超导性。

　　但是，现代炼金术的真正价值可能还不在于转变物性，而是作为更具启示性的工具。类似的技术可以被用于光学计算机。剥夺或额外开启物质的特定化学属性，将有助于分析复杂的混合物(比如说将某不可溶的产物变为可溶，可以更方便过滤其它不可溶的产物)。理论上这一技术的极限，就是我们想象力的极限。现实局限性仅仅源于我们对光与物质相互作用的理解和控制程度。

　　自大半个世纪前，激光技术问世以来，大量科学家很快意识到，可以用激光来操纵分子，因为分子的电子云会响应激光的电磁场——在激光电磁场下，所有波都会逐步连贯地振动。但是要达成有意义的效果，就需要更加精细和迅捷的操作。

　　在1980年代末和1990年代初，我们拥有了飞秒激光学。激光能够选择性地刺激和探测运动。然而，为了真正控制，普林斯顿大学的化学家Herschel Rabitz在1990年代初指出，人们需要创造出特定的脉冲：复杂的波形可能会沿着特定的路径引导分子的行为。幸运的是，当时光通信领域就在使用于脉冲整形术。

　　但是挑战是艰巨的。要控制宏观物体(如滑翔机)的路径，需要知道它之前的轨迹。对于量子力学系统，等效的是知道其量子波函数如何随时间演化，这由被称为哈密顿量的数学函数确定。麻烦之处在于，除了最简单的系统(例如氢原子)以外，汉密尔顿方程对于研究人员来说太庞大复杂了，以至于无法精确地计算波函数的动力学。

　　缺少理论计算的指导(需要预先计算所需的控制脉冲)，唯一的选择似乎就是反复试验。

　　现在，图兰大学的Gerard McCaul和Denys Bondar，提出一种用于预先计算所需脉冲的理论方案。

　　在量子力学中，物质的特定属性(如电导率或光透明性或反射率)对应于可观察量的平均值或“期望值”。如果得到了某种物质的波函数，并且知道使用的是哪种光脉冲，则可以预测结果(期望值)。

　　Bondar的团队逆向思考问题：首先要获得想要的结果(期望值)，然后计算产生该结果的光脉冲。为此，我还需要了解系统的波函数，或者等效地了解其哈密顿量。但这没关系，只要可以确定足够好的近似值即可。

　　Bondar说：“我们将系统视为电子云，用激光脉冲使云变形。”

　　目前，已有实验让金属钠表现出钾的某些物理特性。

　　但量子相干控制的潜在用途，并不在于实现物质的模拟性，而是以将光与物质耦合的方式进行“交易”。一种用途就是光学计算。

　　光束原则上是信息的重要载体，因为我们可以一次使用多个波长将大量信息塞入其中。但有个根本阻碍——很难让两束或更多束光进行“交流”。与电子不同，“光讨厌与光相互作用。”

　　Bondar控制方案阐述应如何实现这种耦合：原理上，由控制光束操纵一块物质，让物质像单个原子一样。然后，包含输入数据的第二束光束与物质相互作用。交互作用转换数据以执行计算。 “这为单原子计算开辟了道路。”

　　更惊人的是，这一光学方法或许在某些问题上极具优势，如因式分解。McCaul和Bondar认为，有可能用经典光学实现被称为Shor算法的量子分解算法，这是最早为量子计算机提出的算法之一。

　　Bondar说：“将经典计算纳入历史垃圾箱还为时过早。”