常規(guī)實驗室中，分子光譜是通過吸收或發(fā)射照射在分子上的電磁輻射來產(chǎn)生的。最近，南方科技大學(xué)翁文康團(tuán)隊和清華大學(xué)孫麓巖團(tuán)隊實驗演示了如何通過超導(dǎo)電路（量子電動力學(xué)）來模擬分子光譜，為利用超導(dǎo)比特研究化學(xué)過程提供了新的工具。

【工作介紹】

量子化學(xué)模擬已成為量子計算機(jī)的「殺手級」應(yīng)用之一。近年來，Google，IBM和其他IT公司為了模擬分子結(jié)構(gòu)，一直在設(shè)計越來越好的超導(dǎo)比特。最開始，為了計算分子的基態(tài)能量,人們提出了量子相位估計算法。然而，這種量子算法的可擴(kuò)展性對于目前的量子技術(shù)來說要求太高。一種替代方法被稱為“變分本征值求解法”，它可以被用來有效地構(gòu)造一個耦合簇擬設(shè)的酉算子，從而解決了經(jīng)典量子化學(xué)中的一個重要問題?？墒?，變分本征值求解法僅僅提供了一種獲得分子電子結(jié)構(gòu)的手段。為了與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，量子計算機(jī)應(yīng)該能夠預(yù)測分子的光譜。

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最近，南方科技大學(xué)翁文康教授團(tuán)隊和清華大學(xué)孫麓巖教授團(tuán)隊進(jìn)行了一次原理性驗證實驗，演示了超導(dǎo)器件如何模擬分子振動光譜。超導(dǎo)模擬器由三維的量子電動力學(xué)電路(circuit QED)系統(tǒng)構(gòu)成，其中transmon比特和3D腔進(jìn)行耦合。量子比特的兩個量子態(tài)扮演著分子的電子基態(tài)和激發(fā)態(tài)的角色，并且腔產(chǎn)生的量子化的電磁模式被用來模擬分子的振動。團(tuán)隊實現(xiàn)的超導(dǎo)模擬器有以下幾個特點：時間關(guān)聯(lián)函數(shù)可以直接利用超導(dǎo)模擬器獲得；以黃-李因子(Huang-Rhys parameter)為特征的電子振動耦合強(qiáng)度可以在很寬的范圍內(nèi)調(diào)整以模擬不同的分子。此外，模擬器可以用來獲得熱平衡和非熱平衡態(tài)的頻譜。對于大規(guī)模系統(tǒng)，這可能超越傳統(tǒng)計算機(jī)的存儲能力。未來，當(dāng)多個獨立的模擬器被連接起來時，可以用這些超導(dǎo)器件研究和預(yù)測復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。這提供了在實際應(yīng)用中實現(xiàn)“量子霸權(quán)”的新一個方向。

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分子超導(dǎo)模擬器的工作原理

文獻(xiàn)鏈接：

Ling Hu, Yue-Chi Ma, Yuan Xu, Wei-Ting Wang, Yu-Wei Ma, Ke Liu, Hai-Yan Wang, Yi-Pu Song, Man-HongYung, Lu-Yan Sun. Simulation of molecular spectroscopy with circuit quantum electrodynamics. Science Bulletin, 2018, 63(5) 293-299;?

DOI: 10.1016/j.scib.2018.02.001