清华大学交叉信息院量子信息中心金奇奂研究组近日成功实现了基于离子阱系统的分子振动能谱模拟。该工作于1月28日发表在国际权威学术期刊《化学科学》（Chemical Science），论文题目为《基于离子阱系统的分子振动能谱模拟》(Quantum optical emulation of molecular vibronic spectroscopy using a trapped-ion device)。

图1：基于离子阱系统的分子振动能谱模拟示意图

随着量子计算领域的快速发展，量子比特的数目和量子门操控的保真度都有了很大的提高。人们预期在接下来的几年，量子计算机将在特定问题的求解上超越经典计算机，实现量子霸权。玻色子采样是量子计算机实现量子霸权的重要途径之一，但玻色子采样属于一个人为预定义的问题，目前看来并不能产生实际的应用价值。最近有学者从理论层面指出，改进版本的玻色子采样问题可以用来模拟分子振动能谱。

受到上述理论工作的启发，金奇奂研究组在量子实验系统中首次实现了分子振动能谱的模拟。值得一提的创新之处是，该模拟是基于离子阱系统中的声子，而不是已经有过多次实验尝试的光学系统中的光子。为了在实验系统中实现可信赖的声子操控采样，研究组开发了能够在一次试验中保持相位相干性的操控，这些操控包括多个声子模的位移、压缩和旋转。同时，研究组还开发了两个声子模整体投影测量的实验方法，每个声子模能包含多达10个声子。作为结果展示，研究组成功模拟了二氧化硫（SO2）的振动能谱，并验证了在误差范围之内理论计算和实验结果之间的吻合。这项研究工作为超出经典计算能力的复杂分子模拟打下了坚实的基础。

图2: 用离子阱系统模拟的SO2分子的振动能谱

此项研究工作的实验系统搭建和数据采集分析由量子信息中心博士生沈杨超、路尧、张宽、张君华和张帅宁完成。论文的第一作者是清华大学交叉信息院在读博士生沈杨超，通讯作者为韩国Sungkyunkwan大学助理教授Joonsuk Huh和清华大学交叉信息院长聘副教授金奇奂。此项研究得到中国国家重点基础研究发展计划和国家自然科学基金的支持。

论文全文链接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/sc/c7sc04602b#!divAbstract