这篇圣杯论文的标题也许是最耐人寻味的，它是由加州大学圣地亚哥分校领导的一个小组撰写的肯特威尔逊．威尔逊在这篇论文发表五年后去世，他被认为是一位杰出而非常规的科学家。他的研究横跨许多不同的领域，但在他的化学研究纪要威尔逊提出的文章控制物质的未来作为化学的最高奖项。与这个宏伟目标相关的概念通常属于“量子控制”领域——本质上是利用光来控制原子和分子的行为。他们希望特殊形状的激光脉冲可以取代化学试剂，引导化学键的断裂和形成。

我认为这整个想法是非凡的，仍然有生动的生命力

阎益静，中国科学技术大学

“这真的是一个很棒的想法，它始于思考人们如何利用外部场来调节分子，并引导它们达到预期的反应，”解释道《易经》严他是中国科学技术大学的物理化学家，上世纪90年代初在威尔逊的团队做博士后，是圣杯的作者之一。

光子试剂

大多数化学家都熟悉使用分子性质，如离去基和空间基团，或温度和压力等条件来指导化学反应。相反，威尔逊的团队希望利用分子的量子特性来选择反应会遵循的路径。分子是量子物体——既表现为粒子又表现为波——光波与分子波函数的相互作用可以被操纵来引导化学事件。

Yan解释说，该领域的关键理论基础是在20世纪80年代由美国和以色列的研究人员开发的。大卫Tannor而且斯图尔特大米在芝加哥大学和罗尼Kosloff耶路撒冷希伯来大学的教授解释了这一过程成对的延时激光脉冲可以用来控制化学反应。与此同时,摩西·夏皮罗而且保罗霭然后在魏茨曼科学研究所，雷霍沃特建议利用来自两种不同激光的不同波长光子之间的干涉。

该地区另一位最杰出的研究人员是普林斯顿大学的赫歇尔Rabitz．严回忆说，他引入了许多工程控制理论，并将其与基础科学相结合，并引入了光子是一种化学试剂的概念。

Rabitz自己指出，这个领域的起源甚至可以追溯到更早的时候——自从激光发明以来，化学家们就一直梦想着用可控的光脉冲来操纵物质。一个关键的里程碑是超快激光器的发明，这种激光器在分子内能量转移的时间尺度上运行。拉比茨把早期的实验比作向墙上扔玻璃。他说:“它会碎。”“但是没有办法控制它如何破裂……所以人们向分子发射皮秒激光脉冲——它们会破裂，但没有办法改变破裂模式……它们有能量，基本上就是这样。”

光的诡计

在20世纪80年代中期，飞秒激光终于为化学家提供了他们所需的工具，但仅靠这些仍然不足以完全控制分子的行为。拉比茨说:“最初的激光只有一种颜色，但这就相当于在钢琴上用一个键演奏贝多芬的奏鸣曲。”

在与数学家同事的合作中，拉比茨意识到工程学中的“最优控制”原理可以实现帮助设计最佳的光脉冲在化学中的应用。他回忆说:“从早期的工作中，我们发现将能量从这里传递到那里，或者可能破坏键的最佳解决方案是一种高度复杂的电场波形。”“但这在激光界引起了负面反应，因为当我把这个给激光科学家看时，他们说:‘这不是激光——激光有红色、蓝色或绿色。’”它们不是一下子就变成这么多颜色的。”

碰巧的是，以这种方式塑造光所需要的技术几乎是在同一时间诞生的由电信部门的工程师。拉比茨说:“他们想用光纤在城市之间传递信息……他们意识到成型辐射携带信息。”“因此，他们开发了塑造超快辐射脉冲的工具。巧合的是，当我们看到这一点时，我们意识到这正是实现量子控制目标所必需的。”

第一个脉冲整形器使用了一个具有128个液晶像素的光学光栅，可以调制宽带宽激光的相位和振幅。现在，拉比茨的光学“钢琴”有128个琴键，在计算机的帮助下，每个琴键每秒可以调音数百次。

下一个问题是计算复杂的分子反应需要什么样的激光脉冲。这将需要求解随时间变化的薛定谔方程，并定义系统的哈密顿量——这对于除了非常简单的化学系统之外的任何东西来说都是不可能的。

在20世纪90年代早期，Rabitz提出使用基于学习算法的软件帮助引导系统．“我们的建议是:忘记哈密顿量吧——我们不知道它，”他说。这个想法是对样品施加试验脉冲并测量响应，例如通过分析形成的不同产物的比例。在此基础上，该算法将重新调整激光脉冲，引导实验朝着预期的结果发展。

拉比茨说:“我们当时说的是，分子实际上正在取代数字计算机——它现在是一台模拟计算机，它完美地知道自己的哈密顿量，并完美地解决自己的Schrödinger方程。”“让它绕圈，然后回家。”

闭合循环

20世纪90年代末，威尔逊的团队率先将这一想法付诸实践。在威尔逊撰写圣杯论文前后，拉比茨去了他在圣地亚哥的办公室见他。“我问他愿意试试吗?因为他有能力尝试，因为他有资源。拉比茨回忆说:“他给了我一连串的答案——他忙这个忙那个……但事实上，在1997年，他实际上做了第一个这种类型的实验。”

利用计算机控制的脉冲整形器，威尔逊的团队优化了激光信号有效诱导荧光在染料分子溶液中。结果表明，闭环原理是可行的。

威尔逊的实验很快被德国Würzburg大学的一个团队跟进。这个团体，由托马斯Baumert，在实验室工作古斯塔夫·嘉宝,执行可控破碎实验在铁配合物上使用自动反馈系统来引导反应朝向选定的化学产品。

在这些早期的演示之后，该领域得到了长足的发展，许多小组在数百个不同的实验和数千个模型中应用了这些技术。之前专注于理论研究的拉比茨也参与进来，在世纪之交建立了自己的实验室。在一个例子中，他的团队使用了一类有形状的光脉冲在一系列卤甲烷底物上触发类似的解离反应。该研究说明了光子试剂如何显示类似于在同源系列传统化学试剂中所见的常规反应性趋势。

另一个重要的里程碑是在2015年实现的，当时来自德国和以色列的一个小组，包括科斯洛夫，使用了成形激光脉冲来控制双分子反应中键的形成．在这个例子中，镁二聚体是通过将气体样品暴露于飞秒激光脉冲而产生的。虽然化学键以前是在激光控制的分子内重排中形成的，但将光子与两种不同的起始材料结合在一起以形成新的化学键是一项更加复杂的任务。卡塞尔大学克丽丝汀科赫谁参与了这个项目，告诉manbetx手机客户端3.0当时该小组最初发现很难为项目筹集资金，因为审稿人只是“不相信这个过程可行”。

拓展

除了这些实验提供的迷人的基本见解之外，拉比茨怀疑，在化学合成中的真正应用，就像威尔逊提到的那些，可能是有限的。他说，这些都是非常昂贵的光源。“所以你必须问一个基本的问题:一摩尔这种智能光子的成本是多少?””The answer, Rabitz notes, doesn’t compare favourably to typical laboratory reagents. Unless the price of the exceptionally expensive titanium–sapphire lasers comes down substantially, he believes that quantum control methods are more likely to find uses in areas where cost is less of a concern.

在过去的二十年里，这个领域已经扩展开来。已经投入了大量的时间(和金钱)应用量子控制原理例如，在量子计算领域。拉比茨认为这些技术可以产生影响的另一个领域是生物研究。这些技术已被用于控制能量流在光收集生物分子中参与光合作用，在另一个例子中，它被用来操纵视网膜蛋白质的光异构化反应．拉比茨也展示了量子控制如何区分几乎相同的黄素分子用传统的光谱工具是无法分辨的。这表明成形激光系统可用于分子选择性生物成像。

在为圣杯论文做出贡献25年后，尽管他自己的研究方向略有不同，但严认为量子控制仍然令人兴奋。他说:“我认为这整个想法是了不起的，而且仍然有鲜活的生命力。”随着其他领域的研究人员开始利用量子控制原理，他相信这些技术将有助于实现更大的目标。他说，我现在仍然要说，这是一种每年都在变得更加丰富和广泛的哲学。