无垠荒野中的开拓者 ——超冷原子量子模拟在化学物理研究中的全新工作
2017年暑假的时候，墨子沙龙和Sheldon团队合作做了一篇《物理学家在绝对零度附近，观察原子“恋爱”和分子“分手”》的科普漫画。这个实验成果是潘建伟、赵博小组（以下简称超冷分子实验室）发表的，2018年年底，他们又出了一个成果，还在2019年1月18日发表在《科学》上，那么这一年半的时间，他们都干什么了呢？
他们不满足于观测AB+C→AC+B这样简单的化学反应了，他们想通过量子模拟的方式，帮助化学家从量子层面理解化学反应的微观规律！
如果要打个比方，宇宙中的所有原子分子在不停的运动着，但是他们如何运动、如何碰撞，一直是我们想要深刻理解的重要规律。通过慢速拍摄技术，我们可以看到子弹如何穿过西瓜、玻璃等，如果我们能够制作这样一部“3D电影”，通过这部电影可以细节的展示在不同的场景中，原子分子是如何相遇、碰撞，科学家就可以从量子层面理解化学反应的微观规律，对专用量子计算机的发展起到极大的推动作用，人类有望借此了解原子和分子的终极运动规律相互作用和运动规律。超冷分子实验室做的工作就是这样一个拍摄工作。再与理论计算相结合建立模型，反推出清楚分子和原子的相互作用。在对所有角色完成建模后，就可以利用量子力学模拟出原子分子世界真实的运转情况了。
但是原子和分子是如此的小，运动模式多种多样，他们是如何完成这项测量工作的呢？请允许小编先给大家解释2个概念，Feshbach共振和量子模拟。
Feshbach共振
Feshbach是一位生活在20世纪的核物理学家，他和Fano独立各自发展了关于原子从自由状态到离散的束缚态的共振理论。不过，现在大家最常用的是Feshbach共振这样的说法，这是一个专业的原子物理术语，通俗的来说：在山的那边海的那边（量子世界）有一群蓝精灵（原子），它们活泼又聪明，它们自由的运动。原子们喜欢成对活动，而且有很多种状态，它们有的两两向左转（自旋），有的两两向右转，有的两两处于向左转和向右转的叠加态（这三种状态也被称作三重态），但是他们都遵循一个规则，就是近则排斥，远则吸引，太远了…就真的走远了。如下图所示，原子们的势能（纵轴）和距离（横轴）遵循这样的规则，原子之间距离越小，势能趋近于无穷大，原子们就彼此弹开，当距离在一定范围内，原子们彼此吸引，当距离到达某一个临界点，势能为0，原子们逐渐失去了彼此的吸引力。
○ 图一：范德华力
想要直观的理解这个原理，可以将这个图中曲线部分看做是一个 “陷阱”。在碰撞过程中，原子会被长程的吸引相互作用吸进阱里，然后又会短程的硬核排斥相互作用弹出来。一般情况下，原子在阱中待的时间非常短，碰一下就走。原子们要在这个阱留下来是很难的。
然而，科学家们发现，在微观世界里，原子的相对运动是量子化的，它里面存在着一个个能级分立的束缚态，而这个能级是可以通过调节磁场进行调节的。如图二所示，能级通过调节，可以使束缚态的能量和碰撞粒子的能量一致，这时，外面的原子可以轻易的击穿这个阱的外壁进入阱中，并形成分子，外面的原子被束缚了一段时间又会飞出去，导致原子之间相互作用的时间大大增加，从而增强了相互作用的强度。你可以将阱中的能级们理解为一层层的电梯，磁场就是不同层的按钮，按不同的按钮，能级就上升或下降到不同楼层，当它升到和“地平线”相同的时候，外面的原子就可以成双结对的走入阱中，形成分子。
○ 图二：两碱金属原子系统的能量随着两原子之间的距离的变化（横轴粗线代表自旋单态S=0的一个分子能级。我们可以用磁场调控使其和三重态S=1的散射能级（横轴）重合，此时发生Feshbach共振）
要寻找到这些束缚态，需要对原子分子系统的每一个自由度都做到精密的调控和超高能量分辨率的探测，如同在人迹罕至的无垠荒野中探寻极其珍稀的宝石碎片。那么科学家为何还要花费这么多时间测量原子和分子的Feshbach共振呢？这就需要引入第二个概念，量子模拟。
量子模拟（Quantum simulation）
量子模拟大家可能比较熟悉，至少听到比较多。什么是量子模拟呢？在目前的条件下，我们常用计算机模拟技术手段实现现实世界中难以完全体实验的情况。比如大型工程如三峡截留、高铁运行、火箭发射等，用计算机模拟技术手段模拟这些流程，可以大大的节约成本、减少失败，然而到了微观领域，经典计算机的计算能力就不够用了。为什么呢？即使只考虑最简单的2能级原子（实际上原子有几百甚至无数个能级），科学家想要微观系统的微观状态，当原子数量增加到300个，就是2^300种状态组合，这个数字已经超过目前已知宇宙的原子数总和。
那么如何解决这个问题呢？美国的物理学家费曼在1982年提出了量子计算和量子模拟的概念。费曼指出，对于微观世界，想要对其进行模拟，对计算机的计算能力需要指数级的增长。他给出的解决建议是使用量子计算机。费曼相信，一台基于量子力学原理的计算机在模仿量子力学现象上有着近水楼台先得月的优势。量子计算研究的终极目标是构建通用型量子计算机，就是大家留言最爱问的——我什么时候能用量子计算机打游戏？但是要实现这一目标需要制备大规模的量子纠缠并进行容错计算，还需要长期不懈的努力，意思是说你这辈子大概是没法用量子计算机打游戏了。当然，不用来打游戏，用来给科学家们专题专用，计算一些目前经典计算机无法解决的特定问题还是可以的，比如2017年，潘建伟、陆朝阳等在《自然·光子学》首次报道了针对玻色取样任务的光量子计算原型机（漫画 | 5分钟看懂中国最新的量子计算机），超越了早期的电子管和晶体管计算机，但仍需要技术上的进一步发展才可能超越目前的经典超级计算机。
○ 光量子计算机
量子模拟其实有多种体系，包括上述两种提到的超导系统、光系统，量子模拟还有离子阱系统、超冷原子气体系统等。值得一提的是超冷原子分子量子模拟这一领域，它是利用高度可控的超冷量子系统来模拟复杂的难于计算和理解的物理系统，可以对复杂系统的各个细节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极为广泛的应用前景。在该研究方向上，人们首先模拟的是理论上可以处理的问题，通过理论和实验比较来演示量子模拟的可靠性和潜在的优越性，比如2016年潘建伟、陈帅等在《科学》发表的首次在超冷原子量子模拟中实现了二维自旋轨道耦合的玻色-爱因斯坦凝聚研究的论文（这一论文我们没有漫画科普，但是关于拓扑量子计算有另一篇科普漫画可以了解《整体思维怎么“整”？量子计算有妙用》），这一研究对拓扑凝聚态物理和新型量子材料的设计具有重要的意义。
○ 超冷原子分子
经典计算机无法计算、理论学家也束手无策的时候该怎么办呢？量子模拟这时就要大显身手了。我们知道，化学是人类认识和改造物质世界的主要方法和工具之一,认识和研究化学反应的本质及其规律是化学学科的一个重要研究方向。要想总结出化学反应的本质和规律，不可避免的就会进入到微观世界，将这个问题转化为量子层级。一直以来，如何让分子表现出量子行为是一个难题。一般来说，质量越大，波动性体现的尺度就越小。所以对于分子这种体积大、质量重的粒子，只有在极低温的情况下才会表现出显著的量子行为（效应）。除非到达超级低温，否则无法形成量子态。近年来，随着超冷原子分子技术的发展，科学家们采用了首先将2个原子降温到量子态极低温，再将它们结合成为分子的形式，成功的实现了超低温分子的量子态的制备测量。自2008年美国科学院院士黛博拉·金（Deborah Jin）和叶军（Jun Ye）的联合实验小组制备了铷钾超冷分子以来，多种碱金属原子的双原子分子先后在其他实验室中被制备出来。但由于这种大质量多电子分子体系的散射共振无法在理论上进行预测，十余年来观测超冷分子的散射共振一直是该研究领域在实验上的重大挑战。超冷分子实验室在超冷原子混合气中制备了温度只有几百纳开的超冷分子。他们将原子与分子混合，并制备在基态中的不同超精细能级上。在这个混合系统中，23Na40K分子有4个态，40K原子有5个态，所以共有20种态。然后利用磁场调节精密的调控散射态和束缚态之间的能量差来寻找23Na40K分子 和40K原子的散射共振。在经过6个月的摸索后，他们终于观测到了第一个共振，随后他们一鼓作气，最后在43G到120G的磁场范围中共观察到了11个共振。他们观测到的超低温下的原子-分子Feshbach共振以前所未有的精度探测了钾-钠-钾的三体势能面，并且能够帮助我们进一步理解复杂的分子碰撞机制。他们的实验结果有望协助理论学家计算出这个分子原子混合体系的三体运动规律，使量子化学超冷化学物理的基准建立更推进一步。
○ 美国科学院院士黛博拉·金
科学家们最终克服了无数困难，在无垠荒野中发现了珍贵的宝石碎片，这工作虽然艰难却意义重大，我们祝愿他们能早日完成最终的卓越目标。
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