超冷原子分子量子模拟在量子化学领域取得突破进展

[本刊讯]据中国科大新闻网报道，中国科学技术大学潘建伟、赵博研究团队利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得重大突破。研究团队首次在实验中观测到超低温度下基态分子与原子之间的散射共振，向基于超冷原子分子的超冷量子化学研究迈进了重要一步。相关研究成果于2019年1月18日发表在Science上。

量子模拟机，即专用型量子计算机，能够在某些特定的问题上解决现有经典计算机无法解决的问题。例如，利用高度可控的超冷量子系统来模拟复杂的难于计算的物理系统，可以对复杂系统进行细致、全方位的研究，在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

在量子模拟研究方向上，首先研究的是理论上可以处理的问题，通過理论和实验比较来演示量子模拟的可靠性和潜在优越性。例如，中国科学技术大学研究团队2016首次在超冷原子量子模拟中实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚，发展了超冷原子人造规范场模拟凝聚态拓扑问题的新途径，相关研究成果发表在Science上;2017年，针对玻色取样任务，首次实现了性能超越早期电子管和晶体管计算机的光量子计算原型机，相关研究成果发表在Nature Photonics上。

量子模拟更有前途的现实应用是解决那些经典数值计算方法无法有效求解的重要多体问题。这些问题的解决是量子模拟机的重要发展目标，例如，在化学物理领域，对原子分子相互作用势能面以及粒子在势能面下分子碰撞的动力学的研究。理论上，为了计算原子分子的势能面，需要求解多电子体系的薛定谔方程。由于电子之间存在强关联，其基态能量无法被精确求解。理论量子化学发展出各种方法来近似求解势能面，并在小质量少电子的分子体系取得了成功，但对大质量多电子的分子体系，理论计算的势能面无法可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。

通过构建专用量子模拟系统，势能面的信息可以通过实验测量原子分子的散射共振来获得。结合理论建模，从散射共振可以准确地反推出势能面的全局信息。分子的散射共振是典型的量子现象，只有在超低温度下才会显现。

在该项研究中，研究团队从温度为几百纳开的超冷钠和钾原子混合气出发，制备出处于不同超精细态的钠钾振转基态分子，并与处于不同内态的钾原子相混合。在此基础上，通过精密的调节磁场来精确调控原子分子散射态和三体束缚态的能量差，成功地在分子损失谱上观测到超低温下钠钾基态分子和钾原子间的一系列散射共振峰。这些散射共振提供了对含有高达49个电子的钾-钠-钾三原子分子复杂体系势能面的超高精度测量，成功获取了势能面在短程部分的重要信息。（王晋岚）