不僅量子估算，量子化學(xué)學(xué)的應(yīng)用范疇還很廣。日前，日本西南學(xué)院化學(xué)學(xué)院士Fiete闡述了量子研究的廣泛應(yīng)用。
量子化學(xué)學(xué)家研究的世界與普通人每晚生活的世界是同一個，惟一的區(qū)別是它被科學(xué)家「縮放」到了難以理解的大小。雖然對于擁有科學(xué)素質(zhì)的常人來說，量子化學(xué)學(xué)在很大程度上依然是一門深奧難懂的學(xué)科。
日前，News@與西南學(xué)院化學(xué)學(xué)院士Fiete闡述了量子研究的一些廣泛應(yīng)用，從開發(fā)可再生能源和建造更強(qiáng)悍的計(jì)算機(jī)，再到促進(jìn)人類太陽系以外生命的探求。
Fiete
News@：眺望無限小的世界，對于像您這樣的量子化學(xué)學(xué)家所從事的工作，有什么誤會？為何量子化學(xué)很重要？
Fiete：量子和無限小世界，這是大多數(shù)人在想到量子熱學(xué)和初期量子理論基礎(chǔ)發(fā)展的方法時想到的。量子熱學(xué)最開始研究的是氫原子及其怎么具有離散基態(tài)，科學(xué)家當(dāng)時通過實(shí)驗(yàn)觀察波譜或則波譜怎么吸收和發(fā)射光來研究基態(tài)。
氫原子以特定頻度吸收和發(fā)射光，我們?nèi)缃窳私膺@是原子的量子性質(zhì)所決定的，原子核周圍只容許特定的電子軌道。所以，科學(xué)家傾向于從氫原子這個特別重要的初期事例來研究量子熱學(xué)，一般人們傾向于覺得量子是很小的。但事實(shí)上，這根本不是「小」的問題。
再例如太陽，它是太陽系中最大的天體。因?yàn)橐Φ淖饔茫栂抵械?a href='http://www.njxqhms.com/e/action/ShowInfo/?classid=21&id=1684' title='星系有哪些-太陽系八大行星示意圖-宇宙深處10.5' target='_blank'>行星圍繞著它在軌道上旋轉(zhuǎn)。太陽通過燃燒氫釋放能量和光。但它的引力巨大，以至于能把氫合成氦，之后把氦合成其他元素。太陽將原子聚合在一起，而聚合過程就是一種量子現(xiàn)象，這是月球上正在面臨的巨大能源挑戰(zhàn)之一，即持續(xù)聚變的背后緣由。把氫轉(zhuǎn)化成氦，倘若能在月球上做到這一點(diǎn)，這么能夠擁有清潔的可再生能源。
氫可以被結(jié)合在一起弄成氦，并且氦沒有放射性。為此，我們可以從近乎無限豐富的物質(zhì)中形成大量能量，而不會形成有放射性的廢物。這是化學(xué)學(xué)家們正在努力實(shí)現(xiàn)的夢想。并且宇宙中一些巨大存在背后的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)也是量子熱學(xué)，包括通過霍金幅射（）量子現(xiàn)象損失能量的超大質(zhì)量黑洞。
第二點(diǎn)是人們一般覺得量子所處的是十分低的氣溫。再以太陽為例，它特別熱，但這也是量子熱學(xué)。高溫不是量子熱學(xué)的特點(diǎn)。例如星體和聚變過程的量子性（）以及與之相關(guān)的低溫事例，它們擴(kuò)寬了量子熱學(xué)概念以及其普遍存在的屬性。
News@：能夠談一下量子化學(xué)學(xué)家在其領(lǐng)域之外推進(jìn)技術(shù)進(jìn)步的一些形式嗎？
Fiete：真正讓我激動的是量子化學(xué)學(xué)可以用在「法醫(yī)學(xué)」上，或成為「量子法醫(yī)學(xué)」。
由于原子都有與之相關(guān)的離散基態(tài)，這可以拿來辨識和研究原子。若果比較氫容許的基態(tài)和氦或其他元素容許的基態(tài)，會發(fā)覺它們是不同的。對于任何二氧化碳，可以通過觀察二氧化碳怎么吸收和發(fā)射光來確定二氧化碳中的原子結(jié)構(gòu)。例如要觀察一顆星體和圍繞著它旋轉(zhuǎn)的行星組成的天體系統(tǒng)，這個理論就有很大的實(shí)用和指導(dǎo)價值。
科學(xué)家們使用性能強(qiáng)悍的望遠(yuǎn)鏡觀察奇妙的系外行星領(lǐng)域，偵測行星在星體和月球之間的運(yùn)動。現(xiàn)今使用的望遠(yuǎn)鏡中有的是與衛(wèi)星相連，具有無法置信的頻度幀率和靈敏度，因而可以觀察個別行星的大氣層，以及星體發(fā)出的光怎么穿過大氣層。其實(shí)星體和行星的距離可能有數(shù)千光年遠(yuǎn)，但可以使用波譜學(xué)技術(shù)，觀察來自星體的光怎樣被這顆行星的大氣層吸收。通過波譜技術(shù)，科學(xué)家可以了解行星大氣層的組成。
這很有趣。現(xiàn)今科學(xué)家還可以測量出游星大氣層內(nèi)有哪些分子。例如是否有兩個氫原子與一個氧原子相連？即大氣中有水嗎？分子有自己的波譜特點(diǎn)。因而科學(xué)家可以測量到這種行星的大氣層中是否有水。
當(dāng)氣溫變化時，二氧化碳的波譜線的頻度會變寬，可以觀察到吸收和發(fā)射的頻度范圍。變寬的程度指示了分子的氣溫，也就是行星的大氣濕度。
科學(xué)家才能確定這種行星的大氣層由哪些組成，進(jìn)而確定該行星是否是人類不可駕臨的行星。科學(xué)家據(jù)此可以追尋生命特點(diǎn)，例如那些行星上是否有與生命有關(guān)的分子，起碼它是否是類似月球上的生命；這樣科學(xué)家就可以判定某個人類難以駕臨的星球上有生命的機(jī)率有多大，或去發(fā)覺其他的生命方式。這是十分鼓舞人心的，它最終還是依賴量子化學(xué)和波譜技術(shù)。
另一個造成廣泛興趣的反例是量子化學(xué)學(xué)能形成連太陽能都不能比的能源。當(dāng)發(fā)送一個深空偵測器去觀察太陽系的外行星，假定要探求冥王星（在技術(shù)上不再被視為行星）。假如想觀察冥王星，可以發(fā)射一個深空偵測器，它須要數(shù)年才會抵達(dá)那兒。
這么為這個偵測器上的計(jì)算機(jī)提供哪些樣的電源，便于能回傳美麗的行星圖片？其實(shí)可以再放一塊電板，然而抵達(dá)冥王星須要幾年的時間，太空中有好多幅射，電瓶可能會破損；當(dāng)它們脫離大氣層身處太空的極其嚴(yán)寒環(huán)境，也可能難以正常工作。通過太陽能電板板難以搜集到足以運(yùn)行估算機(jī)系統(tǒng)并回傳相片的陽光。
那怎么為這種深空偵測器上的計(jì)算機(jī)供電呢？借助幅射和使用放射性材料。放射性是另一個量子過程，重元素衰變?yōu)檩p元素。當(dāng)這個過程發(fā)生時，會形成幅射。原子核的幅射部份攜帶的能量就可以被捕捉。
有種叫熱電材料的物質(zhì)，它可以將低溫區(qū)與高溫區(qū)聯(lián)接上去，將這些高低溫差轉(zhuǎn)化為電流，之后電流如同電瓶一樣工作。一旦電氣系統(tǒng)中有電流，才會形成電壓，這時偵測器上的計(jì)算機(jī)和電路就可以正常地工作。
News@：量子化學(xué)確實(shí)是改變能源基礎(chǔ)設(shè)施的基礎(chǔ)性工作。但這是正確的思索形式嗎？
Fiete：綜合考慮氣候變化、可再生能源以及不污染環(huán)境的技術(shù)是一個挺好的觀點(diǎn)。
核聚變是一種紅色技術(shù)，前提是人類可以正常控制它。假如不能控制核聚變，現(xiàn)今還有其他紅色技術(shù)，如風(fēng)力渦輪機(jī)。風(fēng)力渦輪機(jī)與量子化學(xué)有哪些關(guān)系？風(fēng)力渦輪機(jī)的工作方法是，當(dāng)風(fēng)力轉(zhuǎn)動螺旋槳時，內(nèi)部的吸鐵石附在螺旋槳上，轉(zhuǎn)動吸鐵石會形成電壓。
但問題是應(yīng)當(dāng)使用哪種吸鐵石呢？這須要基礎(chǔ)性思索，即全面思索磁性系統(tǒng)，這種系統(tǒng)具有風(fēng)力渦輪機(jī)等應(yīng)用所需的性能。
這兒須要一個十分結(jié)實(shí)的吸鐵石，它須要經(jīng)受低溫，也就是說要比溫度高出好多，由于在陽光照射下，吸鐵石會顯得很熱。它還必須具有足夠結(jié)實(shí)的特點(diǎn)，才能承受渦輪系統(tǒng)中扭曲的任何應(yīng)變和撓度。這種就是所謂的硬磁鐵。這么怎么開發(fā)更好的吸鐵石呢？這就是一個量子問題。
News@：最后請談一下您對自己的研究和這個領(lǐng)域有哪些憧憬。您希望見到哪些？目前有哪些進(jìn)展嗎？
Fiete：這是一個業(yè)內(nèi)每位人都在問的困局：真正處于尖端的進(jìn)步是哪些？一個被廣泛引用的事例是量子估算。量子計(jì)算機(jī)并不能解決任何人夢想中的所有估算問題。事實(shí)證明中國量子物理學(xué)家，量子計(jì)算機(jī)非常擅長處理個別類型的問題，它們可以提供所謂的「量子優(yōu)勢」，但其他問題可能會更好地由傳統(tǒng)超級計(jì)算機(jī)解決。
該領(lǐng)域的一個問題是，企圖對量子計(jì)算機(jī)將幫助科學(xué)家解決的具體問題提供一個更清晰的解決方案，這是一個不斷發(fā)展的領(lǐng)域。所有在這一領(lǐng)域工作的人都覺得中國量子物理學(xué)家，在個別特定的應(yīng)用，量子計(jì)算機(jī)會趕超其他一切類型的計(jì)算機(jī)，每位人都想?yún)⑴c其中。每位人都想成為下一次量子革命的一部份，這不僅僅是為了發(fā)展量子熱學(xué)，而是為了將量子熱學(xué)轉(zhuǎn)化為十分廣泛的應(yīng)用，估算只是最前沿的一個領(lǐng)域。
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