（圖片來(lái)源：網(wǎng)絡(luò)）

尋找分子基態(tài)是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)：分子的總電子能（包括動(dòng)能和勢(shì)能）處在最低能量態(tài)，并且這個(gè)“分子系統(tǒng)”不受外部影響（如激發(fā)等）。隨著化學(xué)系統(tǒng)的原子結(jié)構(gòu)越復(fù)雜（如在一個(gè)大分子中大量電子可以相互作用），要計(jì)算其基態(tài)就越為困難。

量子化學(xué)已應(yīng)用于尋找小分子基態(tài)。例如在分子處于平衡幾何構(gòu)型時(shí)，目前的量子算法可以準(zhǔn)確地計(jì)算出分子基態(tài)。但問(wèn)題是，當(dāng)化學(xué)鍵在原子之間距離相隔較遠(yuǎn)時(shí)斷裂，這些算法求解的結(jié)果就會(huì)失真。鍵的形成和解離在眾多化學(xué)應(yīng)用中發(fā)揮著重要作用，如預(yù)測(cè)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)所需的能量。所以，設(shè)計(jì)新的算法來(lái)描述化學(xué)鍵斷裂成為量子化學(xué)的突破性研究方向。

美國(guó)能源部（DOE）布魯克海文實(shí)驗(yàn)室與美國(guó)石溪大學(xué)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)正試圖破解這一難題。他們?cè)O(shè)計(jì)出一種全新的量子算法，用于計(jì)算化學(xué)反應(yīng)期間特定分子構(gòu)型的基態(tài)，以及預(yù)測(cè)其化學(xué)鍵斷裂時(shí)間。該研究結(jié)果已發(fā)表于《 Physics Review Research》期刊上。《Physics Review Research》評(píng)論到，與現(xiàn)有類似算法（包括該團(tuán)隊(duì)之前的方法）相比，新算法將幫助科學(xué)家顯著提高計(jì)算分子反應(yīng)勢(shì)能面的準(zhǔn)確度、可靠性。

具體來(lái)說(shuō)，在原有算法的基礎(chǔ)上，布魯克海文實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)出一種基于絕熱演化的量子算法，他們利用連續(xù)變化的鍵長(zhǎng)和鍵角實(shí)現(xiàn)光滑的幾何變形，以獲得量子化學(xué)中的分子本征態(tài)和本征能。

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在 水（H?O）分子內(nèi)的特定 O-H 距離處，存在多個(gè)能量交叉點(diǎn) (a)。這就是初始絕熱算法失敗的原因。相比之下，新算法的距離從更近的點(diǎn)開(kāi)始逐漸移動(dòng)，其能級(jí)平滑連接，沒(méi)有任何交叉（b）。（圖片來(lái)源：該論文）

該團(tuán)隊(duì)在論文中指出，此前基于絕熱量子算法會(huì)發(fā)生結(jié)果失真，是因?yàn)榇嬖谘亟^熱演化路徑的能隙閉合或能級(jí)跨越等問(wèn)題。所以，對(duì)于量子化學(xué)來(lái)說(shuō)，關(guān)鍵突破點(diǎn)就是在基態(tài)和不受激發(fā)的電子態(tài)之間找到足夠大的“能隙”?！靶滤惴ń鉀Q了原子間距離較遠(yuǎn)時(shí)沿絕熱演化路徑的能隙閉合和能級(jí)交叉相關(guān)的問(wèn)題。與我們之前的絕熱方法相比，新方法性能更穩(wěn)定，精度更高。”

同時(shí)，該團(tuán)隊(duì)在無(wú)噪聲量子模擬器上運(yùn)行了新算法，并通過(guò)均勻地拉伸化學(xué)鍵，演示了H?O，CH?，以及“H?+D?→ 2HD”的化學(xué)反應(yīng)。

石溪大學(xué)楊振寧理論物理研究所副教授Tzu-Chieh Wei講道：“很高興能推動(dòng)新算法的發(fā)展，我們的研究為量子化學(xué)領(lǐng)域的其他工作奠定了基礎(chǔ)?！?/p>

參考鏈接：

https://journals.aps.org/prresearch/abstract/10.1103/PhysRevResearch.4.033045

編譯：A編輯：慕一