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

【工作介紹】

量子化學模擬已成為量子計算機的「殺手級」應用之一。近年來，Google，IBM和其他IT公司為了模擬分子結構，一直在設計越來越好的超導比特。最開始，為了計算分子的基態能量,人們提出了量子相位估計算法。然而，這種量子算法的可擴展性對于目前的量子技術來說要求太高。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造一個耦合簇擬設的酉算子，從而解決了經典量子化學中的一個重要問題?？墒?，變分本征值求解法僅僅提供了一種獲得分子電子結構的手段。為了與實驗數據進行比較，量子計算機應該能夠預測分子的光譜。

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最近，南方科技大學翁文康教授團隊和清華大學孫麓巖教授團隊進行了一次原理性驗證實驗，演示了超導器件如何模擬分子振動光譜。超導模擬器由三維的量子電動力學電路(circuit QED)系統構成，其中transmon比特和3D腔進行耦合。量子比特的兩個量子態扮演著分子的電子基態和激發態的角色，并且腔產生的量子化的電磁模式被用來模擬分子的振動。團隊實現的超導模擬器有以下幾個特點：時間關聯函數可以直接利用超導模擬器獲得；以黃-李因子(Huang-Rhys parameter)為特征的電子振動耦合強度可以在很寬的范圍內調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的頻譜。對于大規模系統，這可能超越傳統計算機的存儲能力。未來，當多個獨立的模擬器被連接起來時，可以用這些超導器件研究和預測復雜的化學反應。這提供了在實際應用中實現“量子霸權”的新一個方向。

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分子超導模擬器的工作原理

文獻鏈接：

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