超冷原子分子量子模擬在量子化學領域取得突破進展

[本刊訊]據中國科大新聞網報道，中國科學技術大學潘建偉、趙博研究團隊利用超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得重大突破。研究團隊首次在實驗中觀測到超低溫度下基態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研究邁進了重要一步。相關研究成果于2019年1月18日發表在Science上。

量子模擬機，即專用型量子計算機，能夠在某些特定的問題上解決現有經典計算機無法解決的問題。例如，利用高度可控的超冷量子系統來模擬復雜的難于計算的物理系統，可以對復雜系統進行細致、全方位的研究，在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。

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，通過理論和實驗比較來演示量子模擬的可靠性和潛在優越性。例如，中國科學技術大學研究團隊2016首次在超冷原子量子模擬中實現了二維自旋軌道耦合的玻色-愛因斯坦凝聚，發展了超冷原子人造規范場模擬凝聚態拓撲問題的新途徑，相關研究成果發表在Science上;2017年，針對玻色取樣任務，首次實現了性能超越早期電子管和晶體管計算機的光量子計算原型機，相關研究成果發表在Nature Photonics上。

量子模擬更有前途的現實應用是解決那些經典數值計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的重要發展目標，例如，在化學物理領域，對原子分子相互作用勢能面以及粒子在勢能面下分子碰撞的動力學的研究。理論上，為了計算原子分子的勢能面，需要求解多電子體系的薛定諤方程。由于電子之間存在強關聯，其基態能量無法被精確求解。理論量子化學發展出各種方法來近似求解勢能面，并在小質量少電子的分子體系取得了成功，但對大質量多電子的分子體系，理論計算的勢能面無法可靠地模擬分子碰撞中的動力學行為。

通過構建專用量子模擬系統，勢能面的信息可以通過實驗測量原子分子的散射共振來獲得。結合理論建模，從散射共振可以準確地反推出勢能面的全局信息。分子的散射共振是典型的量子現象，只有在超低溫度下才會顯現。

在該項研究中，研究團隊從溫度為幾百納開的超冷鈉和鉀原子混合氣出發，制備出處于不同超精細態的鈉鉀振轉基態分子，并與處于不同內態的鉀原子相混合。在此基礎上，通過精密的調節磁場來精確調控原子分子散射態和三體束縛態的能量差，成功地在分子損失譜上觀測到超低溫下鈉鉀基態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含有高達49個電子的鉀-鈉-鉀三原子分子復雜體系勢能面的超高精度測量，成功獲取了勢能面在短程部分的重要信息。（王晉嵐）