量子計算和量子模擬具有強大的并行計算和模擬能力，不僅能為經(jīng)典計算機無法解決的大規(guī)模計算難題提供有效解決方案，還可有效揭示復(fù)雜物理系統(tǒng)的規(guī)律，為新能源開發(fā)、新材料設(shè)計等提供指導(dǎo)。

量子模擬可以用來解決經(jīng)典數(shù)值計算方法無法有效求解的重要多體問題。在化學(xué)物理領(lǐng)域，通過量子力學(xué)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(xué)就是這樣一類重要科學(xué)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(tǒng)的基態(tài)能量。由于電子之間存在強關(guān)聯(lián)，其基態(tài)能量無法精確求解。因此理論量子化學(xué)發(fā)展各種方法來近似求解勢能面，并在小質(zhì)量少電子的分子體系取得了成功。但是對大質(zhì)量多電子的分子體系，理論計算的勢能面已經(jīng)無法可靠地模擬分子碰撞中的動力學(xué)行為。

通過構(gòu)建針對特定問題的專用量子模擬系統(tǒng)，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(jié)合理論建?？梢詼?zhǔn)確的反推出勢能面的全局信息，從而給出勢能面最精準(zhǔn)的刻畫。

分子的散射共振是典型的量子現(xiàn)象，只有在超低溫度下才會顯現(xiàn)出來。近年來，隨著超冷原子分子技術(shù)的發(fā)展，完全可控的超冷基態(tài)分子可以從接近絕對零度的原子氣中制備出來。但由于這種大質(zhì)量多電子分子體系的散射共振無法在理論上進行預(yù)測，十余年來觀測超冷分子的散射共振一直是該研究領(lǐng)域在實驗上的重大挑戰(zhàn)。

中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、趙博研究組利用超冷原子分子量子模擬在化學(xué)物理研究中取得重大突破。通過對磁場的精確調(diào)控，首次在實驗中觀測到超低溫度下基態(tài)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(xué)研究邁進了重要一步。

研究組首次成功觀測到了超低溫下鈉鉀基態(tài)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(fā)，制備出處于不同超精細態(tài)的鈉鉀振轉(zhuǎn)基態(tài)分子，并將之與處于不同內(nèi)態(tài)的鉀原子相混合。

在此基礎(chǔ)上，通過精密的調(diào)節(jié)磁場來精確地調(diào)控原子分子散射態(tài)和三體束縛態(tài)的能量差，成功的在分子損失譜上觀測到了超低溫下鈉鉀基態(tài)分子和鉀原子間的一系列散射共振峰。通過對含有高達49個電子的鉀-鈉-鉀三原子分子復(fù)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。

這一工作得到了Science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(jīng)制備出來，卻從沒有分子散射共振被報道過”；

“當(dāng)前超冷化學(xué)研究的主要困難在于勢能面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(xué)的游戲規(guī)則”；

“這一工作是當(dāng)前原子分子物理研究的亮點，具有非常重要的意義”。

這項研究成果對當(dāng)前量子化學(xué)的計算精度提出了挑戰(zhàn)，同時為精確模擬量子化學(xué)中多電子問題提供了高度可控的強有力的研究工具。

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圖. 超低溫下觀測磁場可調(diào)原子分子散射共振示意圖

相關(guān)成果以“Observation of Magnetically TunableFeshbach Resonances in Ultracold²³Na⁴⁰K +?⁴⁰K Collisions”（在鈉鉀分子和鉀原子超冷碰撞中觀測到磁場可控的費希巴赫共振）為題發(fā)表在Science上。

文章鏈接：http://science.sciencemag.org/content/363/6424/261。

Yang H, Zhang D C, Liu L, et al. Observation of magnetically tunable Feshbach resonances in ultracold 23Na40K+ 40K collisions[J]. Science, 2019, 363(6424): 261-264.