金奇奐研究組實現(xiàn)基于離子阱系統(tǒng)的分子振動能譜模擬
金奇奐研究組實現(xiàn)基于離子阱系統(tǒng)的分子振動能譜模擬
2018年03月13日 瀏覽次數(shù): 0
清華大學(xué)交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組近日成功實現(xiàn)了基于離子阱系統(tǒng)的分子振動能譜模擬。該工作于1月28日發(fā)表在國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《化學(xué)科學(xué)》（Chemical Science），論文題目為《基于離子阱系統(tǒng)的分子振動能譜模擬》(Quantum optical emulation of molecular vibronic spectroscopy using a trapped-ion device)。
圖1：基于離子阱系統(tǒng)的分子振動能譜模擬示意圖
隨著量子計算領(lǐng)域的快速發(fā)展，量子比特的數(shù)目和量子門操控的保真度都有了很大的提高。人們預(yù)期在接下來的幾年，量子計算機將在特定問題的求解上超越經(jīng)典計算機，實現(xiàn)量子霸權(quán)。玻色子采樣是量子計算機實現(xiàn)量子霸權(quán)的重要途徑之一，但玻色子采樣屬于一個人為預(yù)定義的問題，目前看來并不能產(chǎn)生實際的應(yīng)用價值。最近有學(xué)者從理論層面指出，改進版本的玻色子采樣問題可以用來模擬分子振動能譜。
受到上述理論工作的啟發(fā)，金奇奐研究組在量子實驗系統(tǒng)中首次實現(xiàn)了分子振動能譜的模擬。值得一提的創(chuàng)新之處是，該模擬是基于離子阱系統(tǒng)中的聲子，而不是已經(jīng)有過多次實驗嘗試的光學(xué)系統(tǒng)中的光子。為了在實驗系統(tǒng)中實現(xiàn)可信賴的聲子操控采樣，研究組開發(fā)了能夠在一次試驗中保持相位相干性的操控，這些操控包括多個聲子模的位移、壓縮和旋轉(zhuǎn)。同時，研究組還開發(fā)了兩個聲子模整體投影測量的實驗方法，每個聲子模能包含多達(dá)10個聲子。作為結(jié)果展示，研究組成功模擬了二氧化硫（SO2）的振動能譜，并驗證了在誤差范圍之內(nèi)理論計算和實驗結(jié)果之間的吻合。這項研究工作為超出經(jīng)典計算能力的復(fù)雜分子模擬打下了堅實的基礎(chǔ)。
圖2: 用離子阱系統(tǒng)模擬的SO2分子的振動能譜
此項研究工作的實驗系統(tǒng)搭建和數(shù)據(jù)采集分析由量子信息中心博士生沈楊超、路堯、張寬、張君華和張帥寧完成。論文的第一作者是清華大學(xué)交叉信息院在讀博士生沈楊超，通訊作者為韓國Sungkyunkwan大學(xué)助理教授Joonsuk Huh和清華大學(xué)交叉信息院長聘副教授金奇奐。此項研究得到中國國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃和國家自然科學(xué)基金的支持。
論文全文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc04602b#!divAbstract
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