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《大连化物所首次观测到化学反应中的“几何相位”效应》

  • 来源专题：中国科学院亮点监测
  • 编译者： feifei
  • 发布时间：2019-01-08

  • 中国科学院大连化学物理研究所研究员孙志刚，中国科学院院士张东辉、杨学明等与中国科学技术大学教授王兴安等合作，利用自主发展的具有国际上最高分辨率的交叉分子束离子成像装置，结合高精度量子分子反应动力学理论分析，对H+HD反应中的“几何相位”效应展开深入研究并取得新进展。该进展是科学实验与理论计算的又一次“完美结合”，用交叉分子束和量子化学方法首次定量了化学反应中的“几何相位”作用，把化学动力学中的一个“不可能”变成了“可能”。

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相关报告

  • 《中国科学家首次观测到化学反应中的“日冕环”现象》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2018-08-01
    •         近日，中国科学技术大学王兴安教授和我所孙志刚研究员、张东辉院士、杨学明院士合作，首次利用自主发展的目前最高分辨率的交叉分子束离子成像技术，观测到了化学反应散射中日冕环的现象，并结合量子分子反应动力学理论分析，首次揭示了该现象所隐藏的反应动力学机理。该研究成果发表在《自然化学》（Nature Chemistry）上。 　　当大气中的微小水滴被阳光照射时，如果气象条件良好，人们可以在太阳周围观察到一系列美丽的光环，大气光学中称之为日冕环。大气光学的研究表明，这一自然现象的产生源于光在水滴表面前向衍射所产生的光干涉图像。就物理角度而言，其产生的原理与著名的杨氏双狭缝干涉现象极为类似，均是由光量子的波动特性而产生的干涉现象。更值得一提的是，日冕环的结构可帮助人们直接分析推测出空气中水滴的大小。         与大气光散射相似，气相化学反应从严格意义上来说是原子与分子的散射过程，比较独特的是，在这一散射过程中伴随着旧化学键的断裂和新化学键的形成。反应产物的空间散射结构，直接反映了化学反应进程的微观机制。因此，对分子态－态分辨的散射动力学的研究是深入理解气相分子反应机理的重要方法。近年来，速度成像技术逐渐成为研究化学反应机理的重要实验方法。为了能够更加准确的获得反应态－态信息，研究人员一直致力于提高成像实验的分辨率。 　　王兴安和杨学明领导的团队自主研制了一台独特的结合阈值激光电离技术以及速度成像技术的交叉分子束反应动力学研究装置，使得实验上获得的H原子产物的速度分辨率达到了世界上同类仪器的最好水平。利用这一装置，研究小组开展了对化学中最经典的H+HD→H2+D反应的实验动力学研究。他们首次测得了这一反应产物全量子态分辨的产物速度影像，并且在实验上首次观测到了反应前向散射产物中存在的角分布振荡现象。孙志刚和张东辉等人通过精确量子动力学分析，发现这一角分布振荡现象其实是由散射过程中的少数几个分波散射的角分布结构引起的。通过对这些振荡结构的测量和分析，我们可以了解到引起前向散射的反应过渡态和中间体的大小，也可以知道这些前向振荡结构是具体来源自哪几个散射分波。通过他们的研究发现，这些在化学反应中首次发现的前向散射振荡结构在三维散射图像中与大气光学中观测到的日冕环的散射图像非常相似：通过观测光与水滴的日冕环散射，我们可以了解自然界中的水滴的大小；而通过观测化学发应中的前向角分布振荡结构，我们可以清晰地研究化学反应的过渡态结构以及动力学。         这项研究工作得到了国家自然科学基金科学中心项目和中国科学院战略先导项目（B类）的支持。
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  • 《中国科大首次量子模拟马约拉纳零模的非阿贝尔几何相位》
    • 来源专题：中国科学院亮点监测
    • 编译者：yanyf@mail.las.ac.cn
    • 发布时间：2019-01-10
    • 中国科学院院士、中国科学技术大学教授郭光灿团队在量子模拟研究中取得新进展。该团队李传锋、许金时、韩永建等人与其合作者利用自主研制的光学量子模拟器研究马约拉纳零模的非阿贝尔交换特性，实现了具有拓扑特性的非阿贝尔几何相位，并演示了拓扑量子计算的普适量子门操作。该成果于10月19日在线发表在国际期刊《科学-进展》上。 　　马约拉纳零模是近年来物理学的研究热点。常见的玻色子和费米子具有阿贝尔统计特性，而马约拉纳零模的特异之处在于它具有非阿贝尔统计特性，可以用来实现拓扑量子计算。问题是怎么才能得到马约拉纳零模呢？很幸运，理论物理学家给出了答案：在一条Kitaev链的两端就蕴含着两个马约拉纳零模。通过测量两条Kitaev链上的四个马约拉纳零模交换时所产生的几何位相（Berry相位），就可以直接反映它们的非阿贝尔交换特性。而几何相位描述了量子系统经过绝热循环演化后初态与末态之间的相位差，在基础物理研究和实际应用中均具有重要价值。 　　李传锋研究组在前期量子模拟单个Kitaev链上的两个马约拉纳零模的交换操作[Nature Communications 7,13194 (2016)]基础上，进一步提升自主研制的光学量子模拟器的性能，实现了对两条Kitaev链上四个马约拉纳零模交换操作的量子模拟。通过Jordan-Wigner变换，将支持四个马约拉纳零模的费米系统映射到一个六粒子的自旋系统，并利用光子的空间模式对自旋系统进行编码。而不同马约拉纳零模之间的交换则通过一系列耗散过程实现。这些耗散过程提供了对应自旋之间的有效相互作用。两条Kitaev链上的四个马约拉纳零模可以编码一个量子比特。利用交换过程，研究组成功地模拟了编码比特上具有拓扑保护特性的Hadamard门和相位门。并且这两个量子门是非对易的，从而验证了几何相位的非阿贝尔特性。 　　马约拉纳零模系统的交换操作并不能实现普适的拓扑量子计算。为实现普适量子门操作，研究组通过将两个马约拉纳零模移动到同一位置并施加适当的实时演化，实现了相位门。Hadamard门和相位门组成了完备的单比特门操作。在通过交换实现的Hadamard门和相位门中，两个马约拉纳零模总是处于不同的位置，它们对局域的扰动是免疫的，具有拓扑保护特性。而在相位门中两个马约拉纳零模会处于同一位置，对此处的局域扰动无法免疫，因而，它不具有拓扑保护性（原则上，此处的局域扰动可通过纠错解决，不会破坏拓扑量子计算过程）。研究组通过在不同的位置施加相位噪声和反转噪声，实验验证了这一重要特性。实验搭建的16模式的空间级联干涉仪有很好的相位稳定性，各类门操作的保真度均大于92%。 　　这项工作展示了马约拉纳零模的基本性质，验证了基于马约拉纳零模的拓扑量子计算的基本原理，并进一步拓展了光学量子模拟器的模拟能力。 　　该论文共同第一作者是教授许金时和特任副研究员孙凯。 　　上述研究得到科技部、国家基金委、中国科学院、安徽省和量子信息与量子科技前沿协同创新中心的支持。
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