基于量子化学的计算机模拟广泛地应用于现代化学反应过程的研究中。但是随着分子中原子数的增加,体系自由度的数目急剧地增长,这已经超越了经典超级计算机的计算能力。为了研究复杂分子的反应过程,可以利用量子模拟的方法,即通过精确控制和调节冷原子系统来模拟化学反应。  最近在中国科学院理论物理研究所副研究员石弢参加的一项研究工作(Nature 574, 215(2019))中,通过设计光晶格中的冷原子实现了量子化学的类比模拟。在化学反应过程中,分子的性质由它的外层电子结构决定,而电子之间存在着库仑相互作用。因此,量子化学类比模拟的一个至关重要的问题是如何实现中性原子间的库仑相互作用。我们知道,在电子系统中,两个电子通过传递一个虚光子产生库仑力。基于类似的机制,可以设计方案实现中性费米原子间的库仑相互作用。在这个方案中,利用在玻色原子背景中运动的费米原子模拟分子中的电子,同时通过外加激光场引起背景玻色原子从基态到激发态的跃迁。这些处于激发态的媒介玻色原子可以像光子一样在光晶格中自由传播,从而诱导费米原子间的相互作用。通过对激光场的频率和强度、原子碰撞的散射长度、以及原子色散关系的有效设计,可以实现费米原子间的库仑相互作用。  这个方案不仅可以用来模拟小分子,例如氢分子和氦分子,而且可以用于由多个原子形成的复杂分子间化学反应的量子模拟。通过对比在小分子系统中经典超级计算机的计算结果,可以验证这个量子化学模拟方案的有效性。在未来的工作中,通过对复杂分子化学反应的量子模拟,可以探索一些在现代经典超级计算机中难以研究的各种化学反应过程。

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马克斯普朗克量子光学研究所的物理学家们成功地形成了巨大双原子分子,并用高分辨率的物镜进行光学探测。传统双原子分子在亚纳米体系中的微小尺寸阻碍了其组分的直接光学分辨率。Immanuel Bloch教授领导的马克斯普朗克量子光学研究所量子多体分部的物理学家们能够在一微米的距离内结合一对高度激发的原子。这种巨大的键长可以与大肠杆菌这样的小生物细胞相媲美。

中国科学技术大学潘建伟、赵博等利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究中取得突破:他们通过对磁场的精确调控首次在实验上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。1月18日,这一研究成果发表在国际学术期刊《科学》上。量子计算和量子模拟具有强大的并行计算和模拟能力,不仅为经典计算机无法解决的大规模计算难题提供有效解决方案,也可有效揭示复杂物理系统的规律,为新能源开发、新材料设计等提供指导。

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量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机,但这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算,实现这一目标仍然需要经过长期不懈的努力。当前,量子计算的短期目标是通过发展专用型量子计算机,即专用量子模拟机,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,超冷原子分子量子模拟,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和全方位的研究,从而在化学反应和新型材料设计中具有广泛的应用前景。

通过直接光学分解两个结合原子,可以对潜在的结合结构进行微观研究。小尺寸和所有贡献电子之间的相互作用使得对分子键进行非常详细的实验和理论研究变得非常复杂。甚至原子结构,化学键的基本组成部分,也不能用分析的方法计算出来。只有氢原子(元素周期表上第一个也是最简单的元素,只有一个质子和一个电子)才能被精确地计算出来。从原子到分子的转变更加困难,由于地球上几乎所有的原子都是由分子结合而成。