上帝說要有光:非線性光學

上帝說要有光:非線性光學

線性和非線性是一對數學概念。

線性描述物體隨變數變化,都有準確軌跡。

方程是一階變數,曲線方程是線性的。

只要知道準確的x,就能求確定結果。

非線性是物體變化,有幾個變數相乘。

方程是高階變數,曲線是非線性的。

初始輸入微弱變化,結果可能千差萬別。

線性系統中,一加一等於二不可能變。

非線性系統,一加一就不等於二。

因為有高階函式的疊加效應。

一輛車生產成本50萬,但是如果銷量能夠達到千萬輛。

成本反而會下降。

非線性系統中,有高階的反饋迴圈。

這是一種複雜系統,必須用整體的思維去研究。

常規的線性系統,事物都服從正態分佈。

非線性系統,事物服從冪律分佈。

非線效能夠超越物理量綱,從微觀連通宏觀。

一隻中國蝴蝶煽動翅膀,南美可能引發颶風。

這並不是危言聳聽。

這種效應還無法預測。

非線性是現代數學中,最前沿的部分。

非線性動力學,就是動力學下的一門前沿數學。

動力學源自物理。

在牛頓提出了著名的三大定律後。

他做過一次對三體問題的預測。

結果很糟糕他發現對於三體的方程,幾乎是無法算出確定結果的。

直到近代的複雜科學有進展。

在20世紀60年代,非線性有了突破。

人造鐳射器的誕生。

愛因斯坦曾在研究物體的自發輻射現象時。

做出過預言,還有一種物體受激輻射。

任意波長的光子,射向電子處於高能級狀態的原子。

電子往低能級躍遷時,會釋放出一段能量。

這段能量以光子的形式輻射。

偏振方向,波長頻率都與入射光子一致。

任意的原子,受到光子照射。

都能輻射出,一模一樣的光子。

所以在人為控制下,在極端時間內。

讓大量某個波段的光子,撞擊原子。

就能聚焦鐳射。

鐳射就是非線性光學。

自然中鐳射現象也有,但很可遇不可求。

宇宙大爆炸,湍流現象。

也會形成類似的非線性爆發。

人造鐳射的出現就有了可控的,非線性光學系統。

鐳射單波段,能量聚焦,

是理想的光源,並在工程領域廣泛應用。

鐳射切割,鐳射雕刻加工,鐳射美容,鐳射近視手術。

鐳射武器也是未來最先進的武器。

鐳射制導核聚變等。

當今計算機的電路是基於矽的微電路系統。

用很多個微電子,類比電路。

但只能表示0和1。

0表示電子沒透過,1表示電子透過。

整個位元大廈都基於0和1搭建的。

摩爾定律已經持續幾十年了。

現在工藝達到2nm,不久會達到1nm。

再往後就到工藝瓶頸了。

計算機的效能不可能再增長了。

未來一定是,量子計算機的。

量子計算在常規運算,與普通計算機差不多。

但其平行計算能力,超越兩個數量級的提升。

傳統計算機只能有0和1表示。

頻寬很窄即便利用GPU平行計算,頻寬還是受限的。

量子計算用量子態,表示的除了0和1。

還能有很多箇中間的疊加態。

天然就是平行計算的王者。

現在已經有執行的量子計算機了。

不過成本還很高。

因為量子計算,需要在實驗室裡才能執行。

需要用超導電路,模擬量子電路。

這個暫時無法商用。

中國的天才曹源就在研究,如何在常溫下進行超導。

利用石墨烯極大降低成本。

量子計算機,一定得用非線性光學系統設計。

光子本身在常溫下也能受到激發。

設計一套非線性光學放大系統,也是可行的。

利用非線性晶體,激發光量子的非線性爆發。

一定將會是未來的方向。