科研新突破：向超冷量子化学研究迈进重要一步

新华社合肥1月18日电(记者吴兰)中国科技大学18日报道，潘剑伟、赵波等人利用超冷原子分子量子模拟在化学物理研究方面取得重大突破:通过对磁场的精确控制，首次实验观测到了超低温下基态分子与原子之间的散射共振，这是基于超冷原子分子的超冷量子化学研究的重要一步。

这一重要的研究结果发表在国际权威学术期刊《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问题提供了有效的解决方案，而且能够有效揭示复杂物理系统的规律，为新能源开发和新材料设计提供指导。

量子计算研究的最终目标是建立一个通用的量子计算机，但这一目标需要大规模量子纠缠和容错计算的准备，而这一目标的实现还需要长期不懈的努力。

目前，量子计算的短期目标是通过开发特殊的量子计算机，即特殊的量子模拟器，来解决一些现有经典计算机无法解决的具体问题。如超冷原子和分子量子模拟，利用高度可控的超冷量子系统模拟难以计算的复杂物理系统，可以对复杂系统进行细致全面的研究，在化学反应和新材料设计中有着广泛的应用前景。

在量子模拟的研究方向上，人们首先研究理论上可以处理的问题，并通过理论和实验的比较来论证量子模拟的可靠性和潜在的优越性。例如，2016年，潘剑伟、陈帅等人在《科学》杂志上发表了研究论文。在超冷原子的量子模拟中，首次实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚，为模拟超冷原子人工规范场中的凝聚态拓扑开辟了一条新的途径。2017年，潘剑伟、卢朝扬等人在《自然光子学》上首次报道了玻色采样任务的光量子计算原型，超越了早期的电子管和晶体管计算机，但要超越目前经典的超级计算机，还需要进一步的技术发展。此外，IBM、谷歌等国际知名科技公司最近使用超导量子系统模拟小分子系统的基态能量，误差满足化学精度。相关论文已在《自然》等学术期刊上发表。然而，对于这种简化的小分子，目前的演示量子实验水平在速度和精度上仍无法超越经典计算机。

量子模拟最有希望的实际应用是真正解决经典数值方法无法有效解决的重要多体问题。目前，解决这些问题是特殊量子计算机的一个重要发展目标。例如，在化学物理领域，通过量子力学计算原子和分子相互作用势能面，以及模拟在这种势能面下粒子的分子碰撞动力学，是如此重要的科学问题。从理论上计算原子分子的势能面需要求解多电子系统的薛定谔方程，才能得到电子系统的基态能量。由于电子之间的强相关性，基态能量无法精确求解。因此，理论量子化学发展了各种方法来近似势能面，并在小质量和少电子的分子系统中取得了成功。然而，对于具有大质量和多电子的分子系统，理论计算的势能面不再能可靠地模拟分子碰撞中的动力学行为。

通过为特定问题构造一个特殊的量子模拟系统，可以通过实验测量原子分子的散射共振来获得势能面的信息。散射共振测量与理论建模相结合，可以准确地推导出势能面的整体信息，从而给出势能面最准确的表征。分子的散射共振是一种典型的量子现象，仅在超低温下才会出现。

近年来，随着超冷原子分子技术的发展，可以从接近绝对零度的原子气体中制备完全可控的超冷基态分子。自2008年美国科学院院士德博拉·金和叶君的联合实验小组制备铷和钾超冷分子以来，其他实验室相继制备了各种碱金属原子的双原子分子。然而，由于这种大质量多电子分子系统的散射共振在理论上是无法预测的，因此观察过冷分子的散射共振在这一研究领域已经有十多年的时间了。

在这项研究中，中国科技大学的研究小组首次成功地观察到了钠和钾基态分子与钾原子在超低温下的散射共振。在实验中，研究人员从温度为几百纳升的超冷钠钾原子混合物中制备不同超精细状态的钠钾振动基态分子，并将它们与不同内部状态的钾原子混合。在此基础上，通过精确调节磁场，可以精确控制原子和分子散射态与三体束缚态之间的能量差，并在分子损失谱上成功观察到超低温下钠、钾基态分子与钾原子之间的一系列散射共振峰。

这项工作得到了《科学》评论家的高度赞扬:“这是一项非常重要和激动人心的工作。尽管已经制备了超冷分子，但还没有分子散射共振的报道。“当前超冷化学研究的主要困难是，不能从以前的实验中获得势能面的短程部分的信息。从这个意义上说，这项工作改变了超冷极性分子和超冷物理化学的游戏规则”。“这项工作是当前原子和分子物理学研究的亮点，意义重大”。