量子控制－人们的梦想从了解微观世界到控制微观世界.PDFVIP

量子控制－人們的夢想： 從了解微觀世界到控制微觀世界 文／鄭王曜 摘要 本文簡介量子控制的概念及未來可能的應用。人類長久以來希望能控制物質微觀的的量子狀 態，尤其是波函數的控制。目前較前沿的做法，是利用脈衝雷射”整型”來控制光與物質之交互 作用，進而控制反應或量子躍遷之機率。目前脈衝雷射”整型”偏向於時域(time-domain)整型， 本文則提及近來人們對頻域(frequency-domain)整型的想法與做法。 一、 量子物理下的物質世界 不同於古典想法，量子力學對於微觀世界的觀 說，他可以有干涉的效應！以上都是人類經由實驗 點有以下幾個特色：1.物質可觀測的物理量是可以 事實與邏輯，不得不有的推論。既然這個函數與物 理上的”波”具有同樣的性質(可傳播，可線性疊 有不連續的(quantized) 值，例如原子分子之能階， 乃造物之初便已決定。2.在古典物理上共軛 加, superposition)，我們就稱為波函數。 因此，在量子物理下的物質世界，物質的狀態 (conjugate)的兩個物理量，例如，被觀測物之動量 與位置，時間與能量，是不可能同時被精確觀測 便用”波函數”(wavefunction)來描述。但是，” 的。即，所謂測不準原理。這樣的”物質觀”似乎 波”到底是什麼意思？我們很難跟物質的粒子性 無可避免的為物理學家帶來令人窘困的境地：因為 質扯在一塊。因此目前主流的學派認為波函數的絕 如此一來，如何”描述”我們的物質世界呢？二十 對值平方是物質被量測到的機率分布。同時，”機 世紀初的物理學家們於是想出了一個辦法，既然光 率”這個觀念也解釋了為何有些化學反應過程 用位置、動量二個參數，已不足以描述物質的狀 (pass-way)”可以發生”，但從未被發現。因為發 態，大不了用更複雜的”函數”來代表物質的”狀 生這個反應過程的機會太小之故。根據這個說法， 態”。(當時的想法，認為這個函數並非是物理上 我們可說微觀的世界是個用”機率波”描述的世 可量測的物理量，只是便於描述物質的狀態)。那 界。這樣的波函數，雖不須具有唯一性，但，在物 麼這個函數必須具有下列的條件：1.它的空間分 體速度不快(非相對論性)之情況下，必須要是薛丁 布，不可以是個發散的函數 ，即，他所描述的物質 格方程式(Shr 必須有侷限性，不可能遍佈整個宇宙。2.這個函數 式是非相對論性量子力學最基本的微分方程式，由 可以隨著時空傳播 (否則要如何描述運動中之物 動能算符加上位能算符所組成，觀念上頗類似古典 532 ■ ■ 物理雙月刊（廿五卷四期）2003 年8 月 力學中之漢彌敦量(Hamiltonian)。有趣的是，這個 微分方程式告訴我們，即使我們的觀察物處於穩定 制。為什麼人類可以有辦法控制物質之微觀狀態 呢？這主要因非線性光學的發展及成熟的雷射脈 的狀態(steady state)，波函數的相位仍會隨著時間做 週期變化。要注意，波的相位，決定了”干涉”的 衝控制技術。非線性光學告訴我們物質與光交互作 結果。當二個波函數形成破壞性干涉時，即表示物 用時，物質的反應不須只正比於入射之電磁波 (光)，同時可以有更高的泛音(2ω ，3ω等 higher 質處於此狀態(state)之機率為零。或說，不可能發 現物質處於此狀態。同理，當二個波函數形成加強 harmonics)，再加上若光強度非常強，一方面激發 電子躍遷到較高能階之狀態，