超冷原子分子量子模擬在量子化學(xué)領(lǐng)域取得突破進(jìn)展

[本刊訊]據(jù)中國科大新聞網(wǎng)報(bào)道，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博研究團(tuán)隊(duì)利用超冷原子分子量子模擬在化學(xué)物理研究中取得重大突破。研究團(tuán)隊(duì)首次在實(shí)驗(yàn)中觀測(cè)到超低溫度下基態(tài)分子與原子之間的散射共振，向基于超冷原子分子的超冷量子化學(xué)研究邁進(jìn)了重要一步。相關(guān)研究成果于2019年1月18日發(fā)表在Science上。

量子模擬機(jī)，即專用型量子計(jì)算機(jī)，能夠在某些特定的問題上解決現(xiàn)有經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法解決的問題。例如，利用高度可控的超冷量子系統(tǒng)來模擬復(fù)雜的難于計(jì)算的物理系統(tǒng)，可以對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行細(xì)致、全方位的研究，在化學(xué)反應(yīng)和新型材料設(shè)計(jì)中具有廣泛的應(yīng)用前景。

在量子模擬研究方向上，首先研究的是理論上可以處理的問題，通過理論和實(shí)驗(yàn)比較來演示量子模擬的可靠性和潛在優(yōu)越性。例如，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)2016首次在超冷原子量子模擬中實(shí)現(xiàn)了二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚，發(fā)展了超冷原子人造規(guī)范場(chǎng)模擬凝聚態(tài)拓?fù)鋯栴}的新途徑，相關(guān)研究成果發(fā)表在Science上;2017年，針對(duì)玻色取樣任務(wù)，首次實(shí)現(xiàn)了性能超越早期電子管和晶體管計(jì)算機(jī)的光量子計(jì)算原型機(jī)，相關(guān)研究成果發(fā)表在Nature Photonics上。

量子模擬更有前途的現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是解決那些經(jīng)典數(shù)值計(jì)算方法無法有效求解的重要多體問題。這些問題的解決是量子模擬機(jī)的重要發(fā)展目標(biāo)，例如，在化學(xué)物理領(lǐng)域，對(duì)原子分子相互作用勢(shì)能面以及粒子在勢(shì)能面下分子碰撞的動(dòng)力學(xué)的研究。理論上，為了計(jì)算原子分子的勢(shì)能面，需要求解多電子體系的薛定諤方程。由于電子之間存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)，其基態(tài)能量無法被精確求解。理論量子化學(xué)發(fā)展出各種方法來近似求解勢(shì)能面，并在小質(zhì)量少電子的分子體系取得了成功，但對(duì)大質(zhì)量多電子的分子體系，理論計(jì)算的勢(shì)能面無法可靠地模擬分子碰撞中的動(dòng)力學(xué)行為。

通過構(gòu)建專用量子模擬系統(tǒng)，勢(shì)能面的信息可以通過實(shí)驗(yàn)測(cè)量原子分子的散射共振來獲得。結(jié)合理論建模，從散射共振可以準(zhǔn)確地反推出勢(shì)能面的全局信息。分子的散射共振是典型的量子現(xiàn)象，只有在超低溫度下才會(huì)顯現(xiàn)。

在該項(xiàng)研究中，研究團(tuán)隊(duì)從溫度為幾百納開的超冷鈉和鉀原子混合氣出發(fā)，制備出處于不同超精細(xì)態(tài)的鈉鉀振轉(zhuǎn)基態(tài)分子，并與處于不同內(nèi)態(tài)的鉀原子相混合。在此基礎(chǔ)上，通過精密的調(diào)節(jié)磁場(chǎng)來精確調(diào)控原子分子散射態(tài)和三體束縛態(tài)的能量差，成功地在分子損失譜上觀測(cè)到超低溫下鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子間的一系列散射共振峰。這些散射共振提供了對(duì)含有高達(dá)49個(gè)電子的鉀-鈉-鉀三原子分子復(fù)雜體系勢(shì)能面的超高精度測(cè)量，成功獲取了勢(shì)能面在短程部分的重要信息。（王晉嵐）