我國科學家首次在超冷原子分子混合氣中實現合成 將為實現量子計算打開新的思路

據中科大官網消息，中國科學技術大學潘建偉、趙博等與中國科學院化學所白春禮小組合作，首次在超冷原子分子混合氣中實現合成，向基于超冷原子分子的量子模擬和超冷量子化學的研究邁出了重要一步。將為實現量子計算打開新的思路，并為量子模擬提供理想平臺。2月10日，這一重要研究成果發表在國際權威學術期刊《自然》雜志上。

圖：從超冷原子和雙原子分子混合氣中利用射頻場合成三原子分子的示意圖

量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力，不僅能夠解決經典計算機無法處理的計算難題，還能有效揭示復雜物理系統的規律，從而為新能源開發、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，但實現這一目標需要制備大規模的量子糾纏并進行容錯計算，仍然需要長期不懈的努力。當前量子計算的短期目標是發展專用型量子計算機，即專用量子模擬機，它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氣體來模擬復雜的難于計算的物理系統，可以對復雜系統進行精確的全方位的研究，因而在化學反應和新型材料設計中具有廣泛的應用前景。

超冷分子將為實現量子計算打開新的思路，并為量子模擬提供理想平臺。但由于分子內部的振動轉動能級非常復雜，通過直接冷卻的方法來制備超冷分子非常困難。超冷原子技術的發展為制備超冷分子提供了一條新的途徑。人們可以繞開直接冷卻分子的困難，從超冷原子氣中利用激光、電磁場等來合成分子。利用光從原子氣中合成分子的研究可以追溯到上世紀八十年代。激光冷卻原子技術的出現使得光合成雙原子分子得以快速的發展，并在高精度光譜測量中取得了廣泛的應用。在光合成雙原子分子取得成功之后，人們開始思考能否利用量子調控技術從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子。在2006年發表的綜述文章[Rev. Mod. Phys. 78，483, (2006)]中，美國國家標準局的Paul Julienne教授等人回顧了光合成雙原子分子過去二十年的發展歷史，并指出從原子和雙原子分子的混合氣中合成三原子分子是未來合成分子領域的一個重要研究方向。由于光合成的雙原子分子氣存在密度低、溫度高等缺點，一直無法用來研究三原子分子的合成。后來隨著超冷原子氣中Feshbach共振技術的發展，利用磁場或射頻場合成分子成為制備超冷雙原子分子的主要技術手段。從超冷原子中制備的雙原子分子具有相空間密度高、溫度低等優點，并且可以用激光將其相干地轉移到振動轉動的基態。自2008年美國科學院院士Deborah Jin和葉軍的聯合實驗小組制備了銣鉀超冷基態分子以來，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，并被廣泛地應用于超冷化學和量子模擬的研究中。

超冷基態分子的成功制備重新喚起了人們對合成三原子分子的研究興趣。2015年，法國國家科學研究中心的Olivier Dulieu教授等在理論上分析了從原子雙原子分子混合氣中合成三原子分子的可行性 [Phys. Rev. Lett. 115, 073201 (2015)]。 但由于三原子分子的相互作用極其復雜，無法精確計算，因而理論上無法預測三原子分子的束縛態的能量以及散射態和束縛態的耦合強度。中國科學技術大學的研究小組在2019年首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振，相關成果發表于《科學》雜志 [Science 363, 261 (2019)]。在Feshbach共振附近，三原子分子束縛態的能量和散射態的能量趨于一致，同時散射態和束縛態之間的耦合被大幅度地共振增強。原子分子Feshbach共振的成功觀測為合成三原子分子提供了新的機遇。但由于原子和分子的Feshbach共振非常復雜，理論上難以理解，能否和如何利用Feshbach共振來合成三原子分子依然是實驗上的巨大挑戰。

在該項研究中，中國科學技術大學的研究小組和中科院化學所的研究小組合作，首次成功實現了利用射頻場相干合成三原子分子。在實驗中，他們從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發，制備了處于單一超精細態的鈉鉀基態分子。在鉀原子和鈉鉀分子的Feshbach共振附近，通過射頻場將原子分子的散射態和三原子分子的束縛態耦合在一起。他們成功地在鈉鉀分子的射頻損失譜上觀測到了射頻合成三原子分子的信號，并測量了Feshbach共振附近三原子分子的束縛能。這一工作為量子模擬和超冷化學的研究開辟了一條新的道路。超冷三原子分子是模擬量子力學下三體問題的理想研究平臺。三體問題極其復雜，即使經典的三體問題由于存在混沌效應也無法精確求解。在量子力學的約束下，三體問題變得更加難以捉摸。如何理解和描述量子力學下的三體問題一直都是少體物理中的一個重要難題。此外，超冷三原子分子可以用來實現超高精度的光譜測量，這為刻畫復雜的三體相互作用勢能面提供了重要的基準。由于計算勢能面需要高精度地求解多電子薛定諤方程，超冷三原子分子的勢能面也為量子化學中的電子結構問題提供了重要的信息。

該研究工作得到了科技部、自然科學基金委、中科院、安徽省、上海市等單位的支持。

論文鏈接： https://www.nature.com/articles/s41586-021-04297-2