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超冷原子分子量子模擬在化學物理研究中取得實質性突破

時間:2019-01-18 23:49:46 來源:合肥微尺度物質科學國家研究中心

  中國科學技術大學潘建偉、趙博等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:他們通過對磁場的精確調控首次在實驗上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。1月18日,這一重要研究成果發表在國際權威學術期刊《科學》上。


  量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力,不僅為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案,也可有效揭示復雜物理系統的規律,為新能源開發、新材料設計等提供指導。量子計算研究的終極目標是構建通用型量子計算機,但這一目標需要制備大規模的量子糾纏并進行容錯計算,實現這一目標仍然需要經過長期不懈的努力。當前,量子計算的短期目標是通過發展專用型量子計算機,即專用量子模擬機,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,超冷原子分子量子模擬,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和全方位的研究,從而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,人們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的優越。例如,2016年潘建偉、陳帥等在《科學》雜志發表研究論文,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;2017年,潘建偉、陸朝陽等在《自然·光子學》首次報道了針對玻色取樣任務的光量子計算原型機,超越了早期的電子管和晶體管計算機,但仍需要技術上的進一步發展才可能超越目前的經典超級計算機。此外,最近IBM、Google等國際知名科技公司利用超導量子系統模擬了小分子體系的基態能量,結果誤差滿足化學精度,相關論文發表在《自然》雜志等學術期刊上。然而,對于這一類簡化小分子,目前水平的演示性量子實驗無論在速度和精度方面都仍然無法超過經典計算機。


  量子模擬最有前途的現實應用是真正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。當前,這些問題的解決是專用量子計算機的重要發展目標。例如,在化學物理領域,通過量子力學計算原子分子相互作用勢能面以及模擬粒子在這一勢能面下分子碰撞的動力學,就是這樣一類重要科學問題。理論上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來得到電子系統的基態能量。由于電子之間存在強關聯,其基態能量無法精確求解。因此理論量子化學發展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。但是對大質量多電子的分子體系,理論計算的勢能面已經無法可靠地模擬分子碰撞中的動力學行為。


  通過構建針對特定問題的專用量子模擬系統,勢能面的信息可以由實驗測量原子分子的散射共振來獲得。散射共振的測量結合理論建??梢詼蚀_地反推出勢能面的全局信息,從而給出勢能面最精準的刻畫。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出來。近年來,隨著超冷原子分子技術的發展,完全可控的超冷基態分子可以從接近絕對零度的原子氣中被制備出來。自2008年美國科學院院士黛博拉·金(Deborah Jin)和葉軍(Jun Ye)的聯合實驗小組制備了銣鉀超冷分子以來,多種堿金屬原子的雙原子分子先后在其他實驗室中被制備出來。但由于這種大質量多電子分子體系的散射共振無法在理論上進行預測,十多年來觀測超冷分子的散射共振一直是該研究領域在實驗上的重大挑戰。


  在該項研究中,中國科學技術大學的研究團隊首次成功觀測到了超低溫下鈉鉀基態分子和鉀原子間的散射共振。在實驗中,他們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,并將之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地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了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。


  該工作得到《科學》審稿人的高度評價:“這是一個非常重要的和令人振奮的工作,雖然超冷分子已經被制備出來,卻從沒有分子散射共振被報道過”、“當前超冷化學研究的主要困難在于勢能面的短程部分的信息無法從以往的實驗中獲取。從這種意義上說,這一工作改變了超冷極性分子和超冷物理化學的游戲規則”;“這一工作是當前原子分子物理研究的亮點,具有非常重要的意義”。


  該研究工作得到了中科院、科技部、自然科學基金委和安徽省的支持。


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  論文鏈接: http://science.sciencemag.org/content/363/6424/261 


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