金奇奐研究組實現基于離子阱系統的分子振動能譜模擬

2018年03月13日 瀏覽次數: 0

清華大學交叉信息院量子信息中心金奇奐研究組近日成功實現了基于離子阱系統的分子振動能譜模擬。該工作于1月28日發表在國際權威學術期刊《化學科學》（Chemical Science），論文題目為《基于離子阱系統的分子振動能譜模擬》(Quantum optical emulation of molecular vibronic spectroscopy using a trapped-ion device)。

圖1：基于離子阱系統的分子振動能譜模擬示意圖

隨著量子計算領域的快速發展，量子比特的數目和量子門操控的保真度都有了很大的提高。人們預期在接下來的幾年，量子計算機將在特定問題的求解上超越經典計算機，實現量子霸權。玻色子采樣是量子計算機實現量子霸權的重要途徑之一，但玻色子采樣屬于一個人為預定義的問題，目前看來并不能產生實際的應用價值。最近有學者從理論層面指出，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，金奇奐研究組在量子實驗系統中首次實現了分子振動能譜的模擬。值得一提的創新之處是，該模擬是基于離子阱系統中的聲子，而不是已經有過多次實驗嘗試的光學系統中的光子。為了在實驗系統中實現可信賴的聲子操控采樣，研究組開發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。同時，研究組還開發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10個聲子。作為結果展示，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理論計算和實驗結果之間的吻合。這項研究工作為超出經典計算能力的復雜分子模擬打下了堅實的基礎。

圖2: 用離子阱系統模擬的SO2分子的振動能譜

此項研究工作的實驗系統搭建和數據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交叉信息院在讀博士生沈楊超，通訊作者為韓國Sungkyunkwan大學助理教授Joonsuk Huh和清華大學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研究發展計劃和國家自然科學基金的支持。

論文全文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc04602b#!divAbstract