我國首次在超冷原子分子混合氣中實現(xiàn)三原子分子的量子相干合成

2月11日消息（余予）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(jīng)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(tǒng)的規(guī)律，從而為新能源開發(fā)、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(xiàn)這一目標需要制備大規(guī)模的量子糾纏并進行容錯計算，仍然需要長期不懈的努力。

超冷分子將為實現(xiàn)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(nèi)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(fā)展為制備超冷分子提供了一條新的途徑。2008年，美國科學院院士Deborah Jin和葉軍的聯(lián)合實驗小組制備了銣鉀超冷基態(tài)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(tài)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。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(tài)的能量以及散射態(tài)和束縛態(tài)的耦合強度。

·2019年，中科大研究小組首次觀測到超低溫下原子和雙原子分子的Feshbach共振。在Feshbach共振附近，三原子分子束縛態(tài)的能量和散射態(tài)的能量趨于一致，同時散射態(tài)和束縛態(tài)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(zhàn)。

來自中國科大的消息顯示，近日，基于此前收獲，中國科大潘建偉、趙博等與中國科學院化學所白春禮小組合作，在鉀原子和鈉鉀基態(tài)分子的Feshbach共振附近利用射頻場將原子和雙原子分子相干地合成了超冷三原子分子，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。

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

實驗過程中，研究人員從接近絕對零度的超冷原子混合氣出發(fā)，制備了處于單一超精細態(tài)的鈉鉀基態(tài)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(tài)和三原子分子的束縛態(tài)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(jīng)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(xiàn)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。

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

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