非绝热和乐量子计算新进展
非绝热耦合分子光电子能谱及态布居延时依赖
非绝热耦合分子光电子能谱及态布居延时依赖郭玮;白静【期刊名称】《量子电子学报》【年(卷),期】2016(33)6【摘要】利用三态模型和含时波包法,研究了强飞秒泵浦-探测激光场中延时对非绝热耦合NaI分子光电子能谱、备态布居的影响.结果表明波包在势能面上做周期性运动,周期约为1000 fs,延时为200 fs时波包第一次到达交叉区域并分裂成两部分,800 fs时波包再次返回交叉区域发生分裂。
波包的周期性运动导致光电子能谱谱峰位置的周期性变化,波包在交叉区域的分裂情况影响了各态布居分布。
调节泵浦-探测延时可实现对波包运动的控制及态布居的选择性分布,研究结果为实验上实现分子的光控制及量子操控过程提供了一定参考。
【总页数】6页(P647-652)【关键词】光谱学;态布居;含时波包法;光电子能谱;波包运动【作者】郭玮;白静【作者单位】南华大学电气工程学院;中国科学院大连化学物理研究所分子反应动力学国家重点实验室【正文语种】中文【中图分类】O437【相关文献】1.Kerr介质中压缩真空场与耦合双原子依赖强度耦合系统原子布居数的时间演化[J], 方家元;黄春佳;厉江帆;李秀凤2.泵浦-探测延时对三态阶梯型 K2分子的波包运动及态布居的影响 [J], 冯小静;白静;郭玮3.泵浦-探测延时对三态阶梯型K_2分子的波包运动及态布居的影响 [J], 冯小静;白静;郭玮;4.飞秒激光参数对非绝热耦合分子态布居的影响 [J], 郭玮;白静;李月华5.磁瓶式光电子能谱和速度成像光电子能谱对APS-(A=C14H10,蒽)的研究:电子结构,APS?的自旋轨道耦合和APS-的自旋偶极态（英文） [J], 袁勤勤;杨正;李仁忠;Wesley J. Transue;李志鹏;江凌;Niranjan Govind;Christopher C. Cumminsd;王学斌因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
H+MgH^(+)→Mg^(+)+H_(2)反应中由非绝热耦合引起的复合物形成反应机理
H+MgH^(+)→Mg^(+)+H_(2)反应中由非绝热耦合引起的
复合物形成反应机理
布仁巴雅尔;毛叶;杨紫江;陈茂笃
【期刊名称】《化学物理学报》
【年(卷),期】2022(35)2
【摘要】一个化学反应的过程可能涉及多个绝热电子态,其中的非绝热耦合对反应机理起着重要的作用.本文采用含时量子波包方法和轨线面跳跃方法研究了非绝热耦合对H+MgH^(+)→Mg^(+)+H_(2)反应的影响.通过理论计算得到了绝热和非绝热近似下的反应态-态分辨的积分截面.计算结果表明,当计算中忽略非绝热耦合时,反应遵循直接剥离的反应机理.然而,当计算中包含非绝热耦合时,在反应过程中可以形成一个长寿命的激发态复合物(MgH_(2)^(+))*,进而使反应遵循复合物形成反应机理.通过轨线面跳跃计算,进一步揭示了直接剥离和复合物形成反应机理.山非绝热耦合引起的复合物形成反应机理不仅提高了反应的活性,并且对产物的振动态分布具有显著影响.
【总页数】9页(P345-352)
【作者】布仁巴雅尔;毛叶;杨紫江;陈茂笃
【作者单位】大连理工大学物理学院三束材料改性教育部重点实验室
【正文语种】中文
【中图分类】O41
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非绝热分子动力学的量子路径模拟
非绝热分子动力学的量子路径模拟李晓克;冯伟【摘要】基于近期发展的经典-量子混合模拟非绝热分子动力学的量子路径方案,本文对5个典型势能面模型进行了模拟,包括单交叉模型、双交叉模型、拓展耦合模型、哑铃模型以及双弓模型.由于难以在严格意义上得到退相干速率,数值模拟中,我们比较了三个不同的退相干速率公式,包括冻结高斯波包近似退相干速率、能量分辨速率以及力分辨速率.在模拟过程中,我们恰当地处理了势能面跳跃时的能量守恒和力的反向问题.通过与全量子动力学模拟的精确结果进行对比发现,对于结构较简单的势能面模型,三种退相干速率都能得到较好的结果;然而对于较复杂的势能面模型,由于复杂量子干涉的原因,与其他混合经典-量子动力学方案类似,量子路径方案仍然难以得到较准确的结果.如何发展更加有效的混合经典-量子模拟方案,是未来研究的重要课题.%The mixed quantum-classical (MQC) molecular dynamics (MD) approaches are extremely important in practice since, with the increase of atomic degrees of freedom, a full quantum mechanical evaluation for molecular dynamics would quickly become intractable. Moreover, in some cases, the nonadiabatic effects are of crucial importance in the proximity of conical intersection of potential energy surfaces (PESs), where the energy separation between different PESs becomes comparable to the nonadiabatic coupling. In the past decades, there has been great interest in developing and improving various nonadiabatic MQC-MD protocols. The widely known nonadiabatic MD proposals include the so-called"Ehrenfest"or"time-dependent-Hartree mean-field"approach, the"trajectory surface-hopping"method, and theirmixed scheme. Among the trajectory-based surface hopping methods, the most popular one is Tully''s fewest switches surface hopping approach. In this approach, the nonadiabatic dynamics is treated by allowing hops from one PES to another, with the hopping probability determined by a certain artificial hopping algorithm. In our present work, we extend the study of a recent work on the nonadiabatic MQC-MD scheme, which is based on a view that the nonadiabatic MQC-MD actually implies an effective quantum measurement on the electronic states by the classical motion of atoms. The new protocol, say, the quantum trajectory (QT) approach, provides a natural interface between the separate quantum and classical treatments, without invoking artificial surface hopping algorithm. Moreover, it also connects two widely adopted nonadiabatic dynamics methods, the Ehrenfest mean-field theory and the trajectory surface-hopping method. In our present study, we implement further the QT approach to simulate several typical potential-surface models, i.e., including the single avoided crossing, dual avoided crossing, extended coupling, dumbbell and double arch potentials. In particular, we simulate and compare three decoherence rates, which are from different physical considerations, i.e., the frozen Gaussian approximation, energy discrimination and force discrimination. We also design simulation algorithms to properly account for the energy conservation and force direction change associated with the surface hopping. In most cases, we find that the QT results are in good agreement with those from the full quantum dynamics, which is insensitive to the specific form of the decoherence rate. But for the model involving strongquantum interference, like other nonadiabatic MQC-MD schemes, the QT approach cannot give desirable results. Developing better method should be useful for future investigations in this research area.【期刊名称】《物理学报》【年(卷),期】2017(066)015【总页数】13页(P91-103)【关键词】非绝热动力学;量子路径;退相干速率【作者】李晓克;冯伟【作者单位】天津大学物理系, 天津 300350;天津大学物理系, 天津 300350【正文语种】中文1 引言由于全量子动力学模拟计算量过大,混合经典-量子分子动力学模拟方法已经被广泛应用于气体分子、势能面系统、生物分子以及超分子系统.在这类系统中,由于原子核质量大小是电子质量的103—104倍,电子速度比原子核速度大3—4个数量级,根据玻恩-奥本海默(BO)近似,可近似认为每一时刻电子运动在静止的原子核势场中,原子核几乎不受电子位置的影响.因此在求解电子的波函数时可将核运动与电子运动分离.在该近似下,利用量子化学等电子结构计算方法,可以得到系统的势能面.若分子始终处于单一势能面上,电子态之间的跃迁可以忽略,这就是所谓的绝热过程.相反,如果势能面相互靠近,在势能面的(近)交叉区可能发生电子态的跃迁,就必须处理非绝热过程.混合经典-量子分子动力学方法的基本思想是将原子核部分的运动通过牛顿运动方程来处理,而电子部分则用量子力学处理.混合经典-量子分子动力学模拟方法主要有Ehrenfest方法[1−3]、势能面跃迁法[4−9]、二者的混合方法[10−13]、CSDM方法(coherent switching with decay of mixing method)[14]以及最近提出的量子路径方法[15]等.这些方法已被成功应用于分子动力学[16−20]以及电荷传输研究[21].除以上混合模拟方法外,含时量子波包方法[22−24]也被广泛应用于三原子分子系统的分子动力学模拟[25−28].本文对最近提出的量子路径方案做进一步研究.量子路径方案认为,由牛顿方程描述的核的经典运动对电子的量子运动起到了量子测量的作用,应当用量子测量理论给出描述[29].除了在几个典型的模型势能面系统中获得成功外,量子路径方案还被用于模拟有机分子N2CO的光分解动力学,获得了令人满意的结果[30].本文将进一步模拟检验量子路径方案在更多的模型系统中的相关结果,包括单交叉模型、双交叉模型、拓展耦合模型、哑铃模型以及双弓模型.由于难以在严格意义上得到退相干速率,我们特别模拟比较了从不同物理考虑得到的三个退相干速率公式,包括冻结高斯波包近似(frozen Gaussian approximation,FGA)[31]、能量分辨(energy discrimination,ED)[14,32]以及力分辨(force discrimination,FD)[15].发现对于结构较简单的势能面模型,三种退相干速率都能得到较好的结果.然而对于较复杂的势能面模型,由于复杂量子干涉的原因,与其他混合经典-量子动力学方案类似,量子路径方案仍然难以得到较准确的结果.2 量子路径模拟方案2.1 哈密顿量和量子路径方程在包含所有电子和原子核的总哈密顿量中除去原子核的动能部分,可以得到电子的哈密顿量:式中,第一项描述了电子的动能,其中mj为电子质量;第二项描述所有相互作用静电势能,其取决于量子部分电子坐标r≡ {rj;j=1,2,···}及经典部分原子构型R.选择一组满足正交归一性和完备性的电子基函数ϕj(r,R)展开电子波函数ψ(r,R,t)=∑jcj(t)ϕj(r,R).通常此电子波函数的基函数选取电子哈密顿量Hel(r,R)的瞬时本征态 (只考虑非简并情况),即BO绝热波函数Hel(r,R)ϕj(r,R)= εj(R)ϕj(r,R), 其中, εj(R)代表第j个绝热电子态|ϕj(R)〉对应的势能面.电子部分的动力学性质由薛定谔方程iħ˙ψ=Helψ确定. 我们定义电子哈密顿量矩阵元Vjk(R)= 〈ϕj(r,R)|Hel(r,R)|ϕk(r,R)〉, 在绝热表象下方程的形式为式中,jk(R)是电子有效哈密顿量el(R)的矩阵元.在BO绝热基底下,Vjk(R)=εj(R)δjk≡(R)δjk,即V(R)是对角的,(R)是el(R)的对角元.对应的非对角元˜Hjk(R)=−iħ˙Rjk(R),其中,/=k,djk(R)为非绝热耦合矢量,其形式为根据绝热电子态的正交性可证绝热耦合矢量具有反厄米性质:djk(R)=−d∗kj(R).与djk(R)决定了各BO势能面之间的非绝热耦合强度.当两个绝热电子态的能量差很大时,djk(R)可以忽略,则可以回到绝热近似下的在单一势能面上动力学.反之,则需要求解电子与原子核互相耦合的运动.由于电子和原子核存在着耦合,电子和原子核的运动也是互相影响的.讨论电子态的动力学时,通常认为原子核对电子部分的影响在于电子态是原子核构型R的函数.如果从量子测量的观点研究非绝热分子动力学模拟问题,经典的原子运动也会导致电子部分的量子态产生退相干[32−36].随着量子态的不断演化,原子部分也将受到与量子态对应的经典力的影响.如果将此经典力视为一种可以获得电子态信息的“测量仪器”,则该仪器对电子部分的量子态进行有效的连续测量.例如,原子在不同的势能面上会感受到不同的经典力,相当于测量过程中获得了某种“结果”,从而将引起量子跳跃或量子叠加态的逐渐塌缩.这种连续获取信息的测量过程下的动力学演化,可以由量子路径方程描述如下[29]:式中ρ是电子态密度矩阵,其对角元描述各个BO态的占据概率,非对角元描述它们之间的相干性.方程(4)右端的第一项描述了电子态的相干动力学演化,第二项和第三项描述了“信息获取”(量子测量)的反作用.其中的Lindblad超算符定义为式中, 测量算符Mjk(R)=|ϕj(R)〉〈ϕj(R)| −|ϕk(R)〉〈ϕk(R)|, 是与态ϕj(R)和ϕk(R)相关的测量算符.Γjk描述了电子由于原子力和其他因素导致的测量过程中的退相干速率,γF,jk是根据原子力测量对信息的获取速率.在忽略其他环境影响下Γjk=γF,jk.描述“信息获取”导致的反作用的另外一个超算符,定义为其中,.由于此项的存在,方程(4)可以描述随机的量子跳跃过程,{ξjk(t)} 为高斯白噪声, 满足E[ξjk(t)ξj′k′(t′)]=δjk,j′k′δ(t− t′).2.2 退相干速率方程(4)中的退相干速率,难以在严格意义上得到,但可以通过定性的物理分析得到有明确物理意义的一些结果.例如,利用FGA[37],Schwartz等[33,38]通过计算不同势能面上演化的冻结高斯波包之间的交叠,得到了如下的退相干速率公式:式中,an是核波函数的有效宽度,其大小为其中,ω是一个经验参数,a0是玻尔半径,Ekin是原子核的能量;Fi(j)(t)是ϕi(j)(R,r)态的Hellmann-Feynman力进一步,Akimov等[31]对(7)式进行了简化,得到了更加简单和实用的退相干速率公式:其中,p0是初始原子核动量大小,C是一个经验参数.作为另外一种不同的方案,Truhlar等[14,32]根据“退相干时间应不小于最小的电子特征时间尺度”(基于能量-时间测不准关系的考虑),唯像地提出了一个ED退相干速率公式:其中,Ekin是原子核的能量,C=0.1 Hartree是一个经验参数.值得注意的是,此退相干公式与原子核受力无关,在势能面平行区得到的退相干速率非零.除了“ED”,原子在不同势能面上的经典运动,将感受到不同的“力”.基于对力的分辨,提出了力分辨(FD)退相干速率[15]:式中,τc为核的特征运动时间,通常为电子运动特征时间的10−3倍;j(t)为原子处于势能面Vj(R)感受到的粗粒化平均力,其具体形式将在下节中详细讨论.2.3 量子路径算法中原子核的受力形式在混合经典-量子动力学中,原子核由牛顿运动方程确定经典运动规律.其中Erenfest平均场理论结合电子态演化的薛定谔方程,可以得到经典力:由于含时的|ψ(r;R)〉并不一定是电子哈密顿量的本征态,式中第三个等号成立并不是由Hellmann-Feynman定理直接求得的结果[39],而是与Erenfest平均场理论的演化方程(2)有关.此Erenfest力被许多势能面跳跃理论采用作为原子力.但电子演化过程中含有随机性质的势能跳跃,由于电子演化规律不遵循简单的薛定谔方程,原子受力仍采用如上的形式就不再合适.在量子路径理论中,绝热表象下决定原子核运动的经典力为此原子力由含有随机项的电子态演化方程(4)推导.此时原子力形式较为复杂,且其表达式中含有随机项.与我们将原子核受力作为对电子态的量子测量输出的观点十分吻合.表明在电子时间尺度观察原子,其感受到的“瞬时力”同电子演化一样也含有随机性.(13)式中第二项Vj∇ρjj=Vj˙ρjj/˙R已经看出“原子瞬时力”包含了随机涨落成分.由于原子运动相对电子运动比较缓慢,原子在t时刻受到特征时间τ内“粗粒化的平均力”¯Fj(t)作用,且此力不再包含随机性.此外,在量子理论中也可以将“原子时间尺度(τ)”内的平均势能变化率作为原子受力,其大小为广泛被势能面跳跃方法采用的Erenfest力(12)式和平均势能变化确定的平均力(14)式,其区别不仅在于是否包含随机性.而且在转向点处可能会出现两种力的受力方向相反的矛盾(附录A).因此,在势能面跳跃方法中原子受力仍采用Erenfest受力是不适宜的.2.4 关于能量守恒方案在势能面跳跃理论中,由于原子核在不同势能面之间跳跃,原子核势能的变化并不连续.因此,在跳跃后调节原子核的运动速度以保证原子核的总能量守恒:式中,dk采用有效平均场非绝热耦合矢量[33],速度调节参数γ通过跳跃前后的动能差等于负的势能差确定.如果发生原子核跳跃至某势能面,而且此势能面能量高于原子核初始总能量的情况,则认为此次跳跃是“禁闭”的.此外,根据经典力学理论,此点是原子核的“反向点”应将原子核的动量转向,同时保持电子部分的量子态不变[40].与势能面跳跃理论不同,量子路径理论中原子核的势能变化是连续的.在理论上,采用(13)式或在dt→0时本质上与其一致的(14)式作为原子力,可以保证能量自动守恒.但由于实际计算时采用的时间步长dt/=0,导致演化中每一步的能量计算误差均为正数,即能量“正误差”(详见附录B).因此我们针对量子路径理论设计以下方案处理能量守恒问题.第一,在模拟过程中,始终确保原子势能小于系统的初始时刻的总能量即V(R)=Tr[Hel(R)ρ (R)]＜E0,E0可以定义为演化初始时刻的能量,倘若原子处于某一个单势能面Vj(R),同样要求Vj(R)≤E0.第二,对于满足V(R1)=E0的位置R1,由于其动能为0无法继续向前运动,因此需重新定置R2,但新平均势能VM(R2)=E0仍成立,方法如下:首先确保R2与R1有相同的电子波函数;再去掉最低势能面的分量;最后重新归一化波函数计算新的平均势能VM(R2).第三,从R2处开始新的演化模拟,且保持电子部分不会发生任何改变,但原子的动能会改变为E0−V(R2),其动量的方向与原来动量方向相反(即反射).第四,在非转折点,设定能量误差上限δ,当某时刻原子核总能量与初始总能量之间的差值大于δ时,则保持电子态不变并重新调整动量使原子核总能量满足能量守恒. 其中,在反向点处的处理方法与文献[12]处理方式以及Subotnik[41]提出的能量守恒方法有类似之处.2.5 量子路径算法的实施步骤量子路径方案不仅在理论概念上有清晰的物理意义,同时也是一种容易实现的分子动力学模拟算法.与Tully等[9]的势能面跳跃算法相比,该方案并不需要人为设计复杂的算法使系统“跳跃”到某个势能面上.现将量子路径方案的算法概述如下.1)将每一条轨迹中原子核的位置、动量以及电子密度矩阵初始化.2)计算t时刻核构型R(t)所对应的哈密顿量(1)式的本征值和本征矢,得到绝热基态.每隔一个“原子时间尺度(τ=1000dt)”,计算原子的受力:.在同一个原子时间尺度τ内,原子核的速度保持不变,在t+τ时刻,原子核的速度变为(t+τ)=˙(t)+(t)τ.3)每经过“电子时间尺度”dt,选取合适的测量速率形式,计算Wiener增量ΔWjk=ξjk(t)dt.并求解相应的量子路径方程(4)式.4)在同一个原子时间尺度τ内,原子核的速度保持不变,原子核的位置为R(t+dt)=R(t)+(t)dt.如果在t时刻,将进入下一个τ时段,则从t到t+τ时段内速度为˙(t+τ)=˙(t)+(t)τ.5)查看系统总能量,如果不需要进行动量调整则返回第二步继续计算.如需要则按照上节的讨论进行调节.3 对若干模型的数值模拟本节分别使用FGA,ED和FD得到的退相干速率公式,利用量子路径方案模拟五个模型,包括三个 Tully模型[9]和Subotnikhe和Shenvi[42]提出的另外两个模型,并与严格的量子动力学结果做比较.对每一个模型,我们都将平均2000条随机量子路径.对于每条路径,粒子都从势能面的左端出发,向右演化.原子质量设为M=2000a.u..3.1 单交叉模型在非绝热表象中,该模型势能面为[9]其中,A=0.01,B=1.6,C=0.005,D=1.0.该模型的绝热势能面和耦合强度如图1(a)所示,模拟结果见图1(b)—(d).可以看出,有3个特殊的动量区域值得讨论.第一,动量k ＜4.5时,经典的粒子几乎全部返回到低势能面上,这主要是因为经典粒子的动能较小,无法提供其克服势垒继续向前演化的能量.第二,动量5＜k＜10时,处于低势能面的粒子会隧穿势垒继续沿原方向演化,造成隧穿低势能概率在k≈5时有较大幅度的梯度增加(图1(b)所示);动量5＜k＜8时粒子动能较小无法跃迁到高势能面上,所以反射概率为0;动量k≈8时,反射到低势能面的概率略有增加(图1(c)所示),因为在8＜k＜10时,粒子有足够的动能向高势能跃迁,但无足够的动能使其隧穿高势能面的势阱,所以会以一定概率返回到低势能面上.第三,动量k＞10时,在耦合区域低势能面的粒子以一定的概率跃迁到高势能面并沿原方向继续演化.图1 (网刊彩色)单交叉模型 (a)绝热势能(实线)和非绝热耦合强度(虚线)随原子位置坐标x的变化;(b),(c),(d)分别为隧穿至低势能面、反射至低势能面和隧穿至高势能面的概率随初始动量k的变化;利用FD退相干速率(蓝色方块)、ED退相干速率(绿色三角形)以及FGA退相干速率(红色空心圆)通过量子路径理论进行模拟,并与全量子动力学(Exact)(黑色实心点)模拟做了对比Fig.1. (color online)Single avoided crossing model:(a)Adiabatic potential energy level(solid line)and nonadiabatic coupling strength(dashed line)as a function of positionx;panels(b),(c)and(d)are,respectively,initial momentum k effects on probabilities of transmission to the lower energy surface,ref l ection to the lower energy surface,and transmission to the upper energy surface.We present the quantum trajectory results by using the FD(blue square),ED(green triangle)and FGA(open red circles)decoherence rates,and compare them with the exact result from full quantumdynamics(Exact)simulation(black solid circle).通过对三种退相干速率模拟的结果的比较,发现它们与全量子动力学的模拟结果几乎相同.在几个特殊动量区域也都符合,尤其是使用FD退相干速率和FGA退相干速率,与全量子动力学的模拟结果完全吻合.3.2 双交叉模型双交叉模型将导致量子干涉,并将造成隧穿概率的Stueckelberg振荡,所以该模型更具挑战性.该模型势能面为[9]其中,A=0.10,B=0.28,C=0.015,D=0.06和E=0.05.从图2(a)可以看出,此模型由一个直线和两个反转的高斯曲线组成,并且有两个连续的强耦合区.粒子从左端较低的势能面开始,向右演化.当进入第一强耦合区可能发生电子态的跳跃,使粒子离开第一强耦合区域时会以一定的概率继续沿低势能面向前演化,或发生量子跳跃以一定概率沿高势能面向前演化,亦或以一定概率返回高低势能面.若从波包演化的角度分析,在此演化过程中可能发生波包的分离与相遇.据图2(b)—(d)全量子动力学的模拟结果显示:当粒子初始动能较低(lnE＜−3)时,绝大多数粒子会继续沿低势能面向前演化,少数部分粒子会返回到低势能面.造成此现象的主要原因是在第一个耦合区部分粒子会向高势能面跃迁.但是,处于高势能面的粒子势能增加,由于动能较低,无法使其隧穿继续向前演化.当粒子初始动能较大(lnE＞−3),粒子会隧穿到低势能面或高势能面上继续向前演化.高低势能面波包在第二耦合区会发生相干叠加,从而造成振荡现象.随着初始动能的增加,高低势能面波包演化速率差也会较小,促使振荡振幅变大.图2 (网刊彩色)双交叉模型 (a)绝热势能(实线)和非绝热耦合强度(虚线)随原子位置坐标x的变化;(b),(c),(d)分别为隧穿至低势能面、反射至低势能面和隧穿至高势能面的概率随初始能量E的变化;利用FD退相干速率(蓝色方块)、ED退相干速率(绿色三角形)以及FGA退相干速率(红色空心圆)通过量子路径理论进行模拟,并与全量子动力学(Exact)(黑色实心点)模拟做了对比Fig.2.(color online)Dual avoided crossing model:(a)Adiabatic potential energy(solid lines)and nonadiabatic coupling strength(dashed line)as a function of positionx;panels(b),(c)and(d)are,respectively,initial energy E effects on probabilities of transmission to the lower energy surface,ref l ection to the lower energy surface,and transmission to the upper energy surface.We present the quantum trajectory results by using the FD(blue square),ED(green triangle)and FGA(open red circles)decoherence rates,and compare them with the exact result from full quantum(Exact)dynamics simulation(black solid circle).对三种退相干速率模拟结果比较发现,利用FD和FGA退相干速率模拟的数值结果与全量子动力学模拟结果符合良好.然而利用ED退相干速率进行的模拟在高动能区域无振荡现象产生;在低初始动能区域也过高估测了返回的概率(大约高一个量级),与全量子动力学结果相差较大.3.3 扩展耦合模型扩展耦合模型是一个非常重要的模型,其势能面形式为[9]其中的系数选取为A=6×10−4,B=0.1和C=0.9.相应的绝热势能面如图3(a)所示,可以发现在此模型中包含了一个很宽的耦合区.当粒子以低动量从低势能面开始演化时,在强耦合区变为混合叠加态,但由于能量守恒,处在高势能面的波包由于动能无法提供其继续沿原方向演化的能量,可能造成高势能面的波包返回,但低势能面的波包可以继续向前演化,造成波包演化的退相干. 从图3(b)—(d)可以看出:当初始动量k＜28时,处在高势能面的波包返回,而处在低势能面的波包继续隧穿,利用FD退相干速率与FGA退相干速率模拟的演化结果与全量子动力学模拟结果几乎一致,然而利用ED退相干速率模拟的结果与全量子模拟结果差异较大,原因是过高地估计了返回到高低势能面的概率;对于初始动量k＞28,处在高势能面的粒子有足够能量使其向前演化,所以在此动量区,利用三种速率公式模拟的结果几乎与全量子结果相似.图3 (网刊彩色)扩展耦合模型 (a)绝热势能(实线)和非绝热耦合强度(虚线)随原子位置坐标x的变化;(b),(c)和(d)分别为隧穿至低势能面、反射至低势能面和反射至高势能面的概率随初始动量k的变化;FD退相干速率(蓝色方块)、ED退相干速率(绿色三角形)以及FGA退相干速率(红色空心圆)通过量子路径理论进行模拟,并与全量子动力学(Exact)(黑色实心点)模拟做了对比Fig.3.(color online)Dual avoided crossing model:(a)Adiabatic potential energy(solid lines)and nonadiabatic coupling strength(dashed line)as a function of positionx;panels(b),(c)and(d)are,respectively,initial momentum k effects on probabilities of transmission to the lower energy surface,ref l ection to the lower energy surface,and ref l ection to the upper energy surface.We present the quantum trajectory results by using the FD(blue square),ED(green triangle)and FGA(open red circles)decoherence rates,and compare them with the exact result from full quantum(Exact)dynamics simulation(black solid circle).3.4 哑铃模型哑铃模型是一个对称拓展耦合模型,其形状类似于哑铃.其势能面和耦合强度,在x轴大于零部分(反应结束部分)与扩展耦合模型的形状一致,在x轴小于零部分(反应开始阶段)相当于反转的扩展耦合模型.其势能面为[42]A,B和C系数选取与模型(19)一致,Z=10.从图4(a)可以看出,绝热势能面上有两个强耦合区.在图4(b)—(d)中,从全量子动力学演化结果可以看出:首先,在初始动量k＜28时,原子无法隧穿,几乎全部反射到低势能面上;其次,当32＜k＜40时,部分原子隧穿至低势面,部分反射到低势能面,从波包演化的角度分析,当初始动量在此间隔时,原子可以隧穿障碍到达高势能面和低势能面,但隧穿到高势能面的原子在演化过程中势能会不断地增加,根据能量守恒,其无法提供继续向前演化的动能,隧穿到高势能面的原子会反射到低势能面上;最后,当k＞40时,原子完全隧穿至低势能面或高势能面上.比较发现,利用FGA退相干速率和FD退相干速率,通过量子路径方法可以准确地模拟系统的演化,尤其利用FGA退相干速率 (常数C=1.0)可以得到与全量子动力学模拟几乎完全吻合的结果.但在初始动量32＜k＜40时,利用ED退相干速率模拟得到的结果与全量子动力学结果相差略大.图4 (网刊彩色)哑铃模型 (a)绝热势能(实线)和非绝热耦合强度(虚线)随原子位置坐标x的变化;(b),(c),(d)为隧穿、反射的概率随初始动量k的变化(与图3类似);利用ED退相干速率 (绿色虚线)、FD退相干速率(蓝色实线)以及FGA退相干速率(红色点划线)分别通过量子路径理论进行模拟,并与精确的量子动力学(Exact)(黑色虚线)模拟做了对比Fig.4.(color online)Dumbbell potential model:(a)Adiabatic potential energy(solid lines)and nonadiabatic coupling strength(dash line)as a function of position x;panels(b),(c)and(d)stand for initial momentum k effects on transmission and ref l ection probabilities as described in Fig.3.The quantum trajectory results by using FD(blue solid lines),ED(green dashed lines)and FGA(red chain line)decoherence rates are compared with the exact one from the full quantum(Exact)dynamics simulation(black dashed lines).图5 (网刊彩色)双弓模型 (a)绝热势能(实线)和非绝热耦合强度(虚线)随原子位置坐标x的变化;(b),(c),(d)为隧穿、反射的概率随初始动量k的变化(与图3类似);利用ED退相干速率(绿色虚线)、FD退相干速率(蓝色实线)以及FGA退相干速率(红色点划线)分别通过量子路径理论进行模拟,并与精确的量子动力学(Exact)(黑色虚线)。
量子力学中的绝热和非绝热
量子力学中的绝热和非绝热
量子力学中的绝热和非绝热是指在系统的演化过程中，能量守恒的情况下，系统的状态是否会发生变化。
在绝热演化中，系统在外部扰动下不会改变内部状态，只有在非绝热演化中才会改变内部状态。
绝热过程在量子计算和量子模拟中非常重要，可以用于实现量子算法和模拟物理现象。
同时，对于实际系统，非绝热过程也是不可避免的，因此需要在量子控制中加以考虑，以实现更精确的控制。
量子力学中的绝热理论和非绝热理论是量子信息和量子控制领域的重要基础，对于实现量子计算和量子模拟具有重要意义。
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Franck-Condon分析方法研究进展及其应用
Franck-Condon分析方法研究进展及其应用吴军;张先燚【摘要】Franck-Condon分析方法是对光谱进行理论分析和研究的有效手段.主要概述了Franck-Condon分析方法研究进展及其在光谱模拟中的应用,内容包括Duschinsky效应的处理、Franck-Condon重叠积分计算方法研究以及Franck-Condon分析在多原子分子中的应用.【期刊名称】《科学技术与工程》【年(卷),期】2015(015)003【总页数】10页(P174-182,186)【关键词】Franck-Condon重叠积分;Duschinsky效应;Franck-Condon分析【作者】吴军;张先燚【作者单位】南京工程学院数理部非线性物理研究所,南京211167;南京大学物理系固体微结构物理国家重点实验室,南京210093;安徽师范大学物理与电子信息学院原子与分子物理研究所,芜湖241000【正文语种】中文【中图分类】O561.3Franck-Condon分析方法是对光谱进行理论分析和研究的有效手段。
定量运用Franck-Condon原理已成为人们认识物质结构规律、识别电子态跃迁和获取光谱常数不可或缺的重要工具。
对于简单的稳定分子，人们从高分辨光谱的谱线位置信息可以直接获得有关分子构型、振动频率等参数；而对于复杂分子，特别是不稳定分子，由于其光谱重叠，无法得到高分辨的电子光谱。
如何从振动分辨的光谱中得到瞬变物种的光谱参数、分子结构等信息是目前分子光谱学研究的一个热点问题。
分子电子跃迁中振转谱线的相对强度是由Franck-Condon原理决定，定量计算Franck-Condon因子是利用强度分析分子电子光谱和能谱的关键。
近年来，更是随着分子轨道理论和计算机技术的发展及计算方法的程序化，极大地扩展了Franck-Condon因子的计算，使得Franck-Condon分析方法广泛应用于分子光谱模拟和分析。
如今国际上许多著名研究小组在此方面作了大量的开拓性研究工作，相关研究颇为活跃。
我国量子计算研究取得新突破
我国量子计算研究取得新突破
佚名
【期刊名称】《流程工业》
【年(卷),期】2016(000)017
【摘要】近日，中国科技大学的科研团队，创造性地开发出了超晶格系统，以及分辨率仅为1μm的超冷原子显微镜，并通过它们首次制备并测控了约600列呈现纠缠状态的超冷原子比特，迈出了量子计算技术的重要一步。
该研究成果随后发表在期刊《自然物理学》上。
【总页数】1页(P11-11)
【正文语种】中文
【中图分类】O413
【相关文献】
1.我国科学家在量子计算研究中获重大突破 [J],
2.我国学者研究“多节点量子网络”取得基础性突破 [J],
3.我国在小型化量子通信系统研制方面取得重要突破 [J],
4.中国科学家在量子通信领域取得新突破 [J],
5.中国科学家在量子通信领域取得新突破 [J], 陈席元
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物理学的新技术与新进展
物理学的新技术与新进展在如今的时代，科学技术得到了飞速的发展，物理学作为一门基础学科，在科技进步中发挥着至关重要的作用。
随着时间的推移，物理学的研究方向也在不断地发展和改变，新技术和新进展正在推动着物理学的未来。
本文将介绍物理学的几个新技术和新进展。
一、量子计算机量子计算机被称为未来计算技术的重要里程碑。
相比于经典计算机，量子计算机通过量子比特的量子叠加、量子纠缠等特性，海量并行计算能力将会被大幅度提升。
物理学家已经在很多实验中验证了这一点，并取得了不俗的成果。
目前，谷歌的超越量子计算机是处理量子算法中的一个重要突破。
二、热量子力学热量子力学是热力学和量子力学的有机结合，它通过研究对量子态的热力学处理，使得物理学家可以更深入地理解宏观物质的相变行为。
这不仅提高了对凝聚态物质的理解，而且也为生物等诸如基因编码、蛋白质折叠等领域的研究提供了启示。
这一方向已经获得了巨大的发展，领域内学者的不断努力将不断拓展热量子力学的应用领域。
三、引力波探测引力波的探测被称为“物理学的新视野”。
引力波是由重力场引起的扰动，其量级为惊人的10的负23次方，远远小于电子的尺度。
如此之小的量级也是各种干扰源的挑战，然而，自几年前LIGO（雷射互相干扰引力波探测器）进行首次成功探测以来，引力波探测实验的技术逐渐稳定发展。
在2017年的诺贝尔物理奖中，有关引力波探测的瑞典天体物理學家Rainer Weiss、Kip Thorne和Barry Barish荣膺此奖项。
四、光学成像光学成像在微观领域中得到了广泛应用，例如在纳米粒子、细胞和分子样品等方面的显微成像。
近年来，光学成像也在研究与生物领域相关的分子传递、细胞生长和病原核酸逃逸行为等方面发挥了关键作用。
这种技术的突破使得将来这种技术在医学、生物学等领域中都会得到广泛应用和发展。
总结：最后，物理学的新技术和新进展使得我们的生活变得更加丰富多彩，同时也为我们透视世界的本质提供新的方法。
中国对量子的研究成果
中国对量子的研究成果中国的量子研究领域在过去几十年取得了巨大的成就。
中国政府高度重视量子科学与技术的发展，并将其列为国家重要发展战略之一、下面将介绍一些中国在量子研究方面的主要成果。
首先，在量子通信领域，中国取得了重大突破。
2024年，中国成功地实现了首次地面-空间量子保密通信实验，利用中国墨子号卫星与地面站之间的量子通信，实现了光子的秘密传输。
这一实验标志着中国成为全球第一个实现地面-空间量子通信的国家。
此后，中国陆续展开了多次地面-空间量子通信实验，不断提高通信速度和安全性。
其次，在量子计算领域，中国也取得了重要进展。
2024年，中国成功地完成了具有自主知识产权的10量子比特原型机的研制。
这是全球最早实现的自主研发的量子计算机原型之一、随后，中国在2024年建成了具有66量子比特的原型机，这是全球范围内最大的原型机之一、这些量子计算机原型的研制为未来超强计算能力的实现铺平了道路。
此外，在量子仿真和量子精密测量方面，中国也有显著成果。
中国通过发展量子模拟技术，成功地模拟了多粒子体系的量子行为，提供了重要的理论指导和实验数据。
同时，中国在量子精密测量领域也取得了一系列成就，如实现了高精度的量子频率测量、相位测量和质量测量等。
此外，中国还建立了一系列量子科研基地和实验室，如中国科学院的量子信息与量子科学国家实验室、中国量子科学实验卫星和北京量子卫星科学实验与试验教育基地等。
这些基地不仅为国内外科学家提供了研究环境和平台，还促进了国际合作与学术交流。
总结起来，中国在量子研究方面取得了许多重要成果，涵盖了量子通信、量子计算、量子仿真和量子精密测量等多个领域。
这些成果不仅推动了中国量子科学与技术的发展，也为世界量子科学做出了贡献。
未来，中国将继续加大对量子研究的投入，并推动量子技术的商业化应用，以进一步加强中国在这一领域的领先地位。
科研项目成果及关键成就回顾
科研项目成果及关键成就回顾2023年对于科研界来说是一个意义非凡的年份。
在这一年里，许多科研项目取得了令人瞩目的成绩，推动了人类科技的进一步发展。
在这篇文章中，我们将回顾一些令人印象深刻的科研项目成果及关键成就。
一、量子计算机的重大突破在2023年，量子计算机领域取得了一系列重大突破。
量子计算机的研究一直被视为计算领域的"圣杯"，它具有极大的计算能力和速度。
在过去的一年里，科学家们成功地开发出了一种全新的量子计算机体系结构，大大提高了量子计算的可靠性和效率。
通过这个新的体系结构，科学家们能够利用量子比特进行更稳定、更可靠的计算任务。
他们成功地进行了一系列复杂的计算实验，证明了量子计算机在优化、模拟和密码学等方面的巨大潜力。
这项突破为量子计算的商业化应用奠定了坚实的基础，并为解决一些传统计算机领域的难题提供了新的可能性。
二、基因编辑技术的进一步发展在医学和生命科学领域，基因编辑技术一直是研究的热点。
2023年，科学家们在基因编辑技术的探索中取得了一系列重要的进展。
他们改进了现有的基因编辑工具，使其更加精确和高效。
这一突破使得人们能够更准确地修改基因组，为遗传性疾病的治疗提供了新的可能性。
科学家们还发现了一种全新的基因编辑技术 CRISPR-Cas3。
与现有的CRISPR-Cas9相比，CRISPR-Cas3更具精准性和效率，能够在基因组中精确地删除、激活和抑制特定的基因。
这种新技术的发现为基因编辑技术的领域带来了新的革命性突破，并为癌症治疗、基因治疗和农业改良等领域带来了巨大的影响。
三、在医疗诊断中的应用在医疗领域的应用一直备受关注。
2023年，科学家们成功地将技术应用于医疗诊断中，并取得了显著的成就。
通过深度学习和神经网络等算法，科学家们开发出了一种高精度的医疗图像分析系统。
这个系统能够快速、准确地分析医学影像数据，帮助医生进行早期疾病诊断和治疗方案选择。
该系统在肺癌、乳腺癌和脑卒中等疾病的早期检测中表现出了出色的表现。
多体激发态非绝热分子动力学方法发展及其在二维材料中的应用
电子结构和能带结构的计算与模拟
电子结构
通过计算能带结构、态密度等参数，研究二维材料的电子结构性 质。
能带模拟
采用紧束缚模型等方法，模拟二维材料的能带结构，分析能隙大 小及导电性能。
电子-声子相互作用
考虑电子-声子耦合效应，模拟二维材料的热学和电学性质。
光学性质和光电性能的模拟与分析
光学性质
研究二维材料的反射、吸 收、透射等光学性质，分 析光与材料的作用机制。
哈密顿量与薛定谔方程
哈密顿量
哈密顿量是描述物理系统的总能量和动力学行为的物理量，它由动能和势能组成。在量子力学中，哈密顿量是 一个非常重要的概念。
薛定谔方程
薛定谔方程是描述量子力学中波函数的偏微分方程，它是通过将波函数与哈密顿量联系起来，描述了量子系统 的行为和演化。
激发态非绝热过程的理论模型
非绝热过程
实现高效的数值计算
该方法在实践中实现了高效的数值计算，可以 处理更大、更复杂的系统，为研究者提供了更 多的可能性。
推动二维材料的研究
该方法在二维材料的研究中发挥了重要的作用 ，为理解二维材料的性质、行为和反应提供了 重要的理论基础。
研究不足与展望
理论模型的精确性
计算资源的优化
应用领域的拓展
虽然该方法在许多情况下都表 现出色，但在某些特定情况下 ，理论模型的精确性还需要进 一步提高。未来的研究可以致 力于开发更精确的理论模型和 计算方法。
优化计算资源管理
为了更好地处理更大、更复杂的系统，未来的研究可以致力于优化计算资源的使用和管理。这将有助于提高计算效率，更 好地利用有限的计算资源。
拓展应用领域
未来的研究可以探索该方法在其他领域的应用，例如生物学、材料科学等。这将有助于扩大该方法的应用范围，为更多的 科学研究提供支持。
材料科学的两项重大突破
第四维突破: 新型超材料控制能量波科学家们设计了一种合成超材料，沿着特定的路径引导机械波，为4D的现实增加了创新的控制层面，也称为合成维度。
人们的日常生活通常涉及三维（3D）— 沿着X、Y和Z轴，或上下，左右，前进和后退。
但近年来，密苏里大学Huber和Helen Croft工程主席Guoliang Huang等科学家们探索出了“第四维度”（4D）或合成维度，作为我们当前物理现实的延伸。
近日，Huang教授与MU工程学院结构材料和动力学实验室的科学家团队一起取得了重大的技术突破。
他们成功创造了一种具有4D功能的新型合成超级材料。
这包括控制固体材料表面能量波的能力。
这些能量波被称为机械表面波，是振动如何沿着固体材料表面进行传播的基础。
Huang教授表示：“常规的材料只限于具有X、Y和Z轴的三维空间中。
但现在我们正在构建合成维度或4D的材料，这使我们能够操纵能量波的路径，使其从材料的一个角落传递到另一个角落时，能够精确地到达我们希望它去的地方。
”这一突破性发现被称为“拓扑泵”，可能会实现量子力学和量子计算的进步。
这是因为它可能会促进更高维度量子力学效应的发展。
Huang教授认为：“地震中大部分的能量——90%发生在地球表面。
因此，通过覆盖用这种材料制成的枕头状结构，将其放置在建筑物下方的地球表面，它可能有助于防止结构在地震期间倒塌。
”虽然研究团队的发现在现阶段只是一个基础构件，供其他科学家根据需要加以利用与改造，但这种材料也有潜力扩大规模，用于土木工程、微机电系统（MEMS）以及国防用途相关的更大功用。
这项工作建立在Huang教授和他的同事之前进行的研究基础之上。
他们之前的研究表明，当声波从材料的一个角落传播到另一个角落时，被动超材料可以控制声波的传播路径。
LionGlass ：新型玻璃，抗损性10倍在全球范围内，玻璃制造业每年排放至少8600万吨的二氧化碳。
最近，由宾夕法尼亚州立大学研究人员开发的一种名为LionGlass 的新型玻璃具有将碳排放量减少50%的潜能。
利用受激拉曼绝热技术实现非局域量子受控相位门及制备高维纠缠态的开题报告
利用受激拉曼绝热技术实现非局域量子受控相位门及制备高维纠缠态的开题报告概述：本文介绍利用受激拉曼绝热技术实现非局域量子受控相位门及制备高维纠缠态的研究计划。
本研究旨在探索利用受激拉曼绝热技术来实现非局域量子受控相位门和高维量子纠缠态制备的可行性，并探索相应的物理机制和应用前景。
研究背景：量子计算和量子通信的实现需要实现高精度的量子门操作和高质量的量子纠缠态。
因此，量子门和量子纠缠态制备一直是量子信息和量子计算研究的重要领域。
传统的实现量子门和量子纠缠态制备的方法大多需要求解困难的哈密顿量演化问题，且多数情况下需要在高精度和高稳定性的条件下进行操作，这对于实验技术和设备要求较高，且实现难度较大。
近年来，研究人员通过探索新型光学激光技术，发现利用受激拉曼绝热技术可实现高精度、高稳定性的量子门操作和量子纠缠态制备。
受激拉曼绝热技术是一种新型的量子控制技术，能够利用激光和精心设计的场配置来控制和准确控制量子态的演化和相互作用，从而实现高精度、高稳定性的量子门操作和量子纠缠态制备。
研究目标：本研究旨在利用受激拉曼绝热技术来实现非局域量子受控相位门和高维量子纠缠态制备。
具体来说，研究目标为：1. 利用受激拉曼绝热技术实现非局域量子受控相位门。
通过设计精妙的场配置，可在量子态中实现非局域相互作用，从而实现高精度的非局域受控相位门操作。
2. 制备高维量子纠缠态。
利用受激拉曼绝热技术可以快速、有效地实现高维量子态的相互作用和演化。
通过适当的激光场配置和精密的控制技术，可实现高效、高纯度、高稳定性的高维纠缠态制备。
研究方法：本研究将采用理论模拟和实验验证相结合的方法。
主要研究内容包括以下两个方面：1. 理论模拟。
通过理论模拟，我们将探索利用受激拉曼绝热技术实现非局域量子受控相位门和高维量子纠缠态制备的物理机制，并优化场配置、参数选择等操作策略，以实现高效、高精度的量子操作和量子纠缠态制备。
2. 实验验证。
通过搭建实验平台，我们将验证理论模拟得出的结论。
物理化学前沿
物理化学前沿作者：来源：《科学中国人·上半月》2022年第01期量子色动力学喷注理论研究进展复旦大学物理系邵鼎煜青年研究员与其合作者基于重整化群理论，研究了喷注产生过程中的超级领头对数效应，得到了所有阶重求和的解析结果，发现了适用于任意反应过程的普适公式。
相关成果发表于PhysicalReviewLetters。
研究表明，超级领头对数的渐进行为与通常人们所熟知的Sudakov对数非常不同，从而揭示了Yang-Mill理论中散射过程红外结构的非平庸性。
同时发现，在考虑五圈量子修正后，即使对Drell-Yan或胶子融合Higgs产生等颜色结构较简单的反应过程，超级领头对数也会产生贡献，数值计算表明该效应对目前理论结果的修正可以达到5%以上。
非绝热动力学相空间映射理论研究进展北京大学化学与分子工程学院刘剑课题组总结了其在非绝热动力学的相空间映射理论和计算方法方面的系列进展。
相关成果发表于AccountsofChemicalResearch。
当两个或多个电子态势能面非常接近时，电子与原子核的运动（振动和转动）耦合，致使不同电子态上的布居数发生变化，这也就是所谓的非绝热过程。
非绝热过程广泛存在于化学、生物和材料领域，如许多常见的光化学反应、材料中的光电转换过程、微腔光场化学、视网膜成像和DNA光损伤/光修复等生物化学反应。
研究团队发展了适合全原子模拟的非绝热动力学理论方法来研究实际凝聚态体系非绝热过程的微观变化和行为。
发现多体量子相变的新动力学行为清华大学物理系胡嘉仲-陈文兰教授团队与北京大学信息科学学院陈徐宗-周小计教授团队合作，利用新型光晶格能带映射方法研究从超流体到Mott绝缘体多体量子相变的动力学行为。
相关成果发表于PhysicalReviewLetters。
非平衡物理和动力学行为是现代物理学中的一个重要且具有挑战性的方向。
利用超冷原子实验平台从一个对称性破缺的量子态出发，前进到一个对称性守恒的量子态，对称性变化的方向与传统的相变描述方向正好相反。
自旋为1／2粒子在消相干量子场作用下的绝热和非绝热几何相位
自旋为1／2粒子在消相干量子场作用下的绝热和非绝热几何
相位
易学华;阮文;余晓光;付风兰
【期刊名称】《量子电子学报》
【年(卷),期】2006(23)5
【摘要】量子计算来源于量子相干和量子纠缠的特性,但是这两个性质都很脆弱和易于出错,很容易被称为消相干的过程破坏掉,因此如何克服消相干的影响已成为实现量子计算机的一个关键,利用非跃迁轨迹和Berry以及AA几何相位公式,计算了在绝热和非绝热情况下,分别由单模和双模消相干量子场所产生的自旋为1／2系统的几何相位。
利用量子跃迁方法,当考虑绝热和非绝热演化时,发现对于非跃迁轨道,其相位修正值是不同的。
最后我们从基本原理和量子计算的观点讨论了其结果的意义。
【总页数】6页(P628-633)
【关键词】量子光学;绝热与非绝热几何相位;非跃迁轨道;消相干量子场;自旋1/2粒子
【作者】易学华;阮文;余晓光;付风兰
【作者单位】井冈山学院物理系;井冈山学院医务所
【正文语种】中文
【中图分类】O431.2
【相关文献】
1.Dzyaloshinskii-Moriya相互作用和内禀消相干对基于两量子比特Heisenb erg 自旋系统的量子密集编码的影响∗ [J], 邹琴;胡小勉;刘金明
2.量子化腔场与振动镜腔相互作用系统的非绝热几何相因子 [J], 周宙安
3.介观物理的粒子自旋轨道耦合和量子几何相位 [J], 李华钟
4.广义含谐振子的含时粒子数表象及绝热量子相位和绝热含时相干态 [J], 侯邦品
5.两个自旋为1/2粒子在纠缠量子系统中的Berry几何相位(英文) [J], 易学华;钟庆湖
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和乐量子计算
和乐量子计算
1 什么是和乐量子计算？
和乐量子计算（HeLeQ）是一种基于量子力学原理的计算方法。
相比传统计算机，和乐量子计算可以通过使用叠加态和纠缠态来大幅提升计算速度。
该技术可应用于多种领域，如化学、物理学、金融、电机工程等。
该计算机基于超导量子比特（qubit）技术，并能够实现可编程和可扩展性，因此其应用潜力巨大。
2和乐量子计算的优劣
和乐量子计算具有突破传统计算机所能获得的计算速度，并可处理复杂的计算操作。
然而，由于该技术本身的问题，和乐量子计算仍处于早期的研究阶段，并存在许多挑战。
例如，量子比特容易受到环境干扰和噪声影响，因此需要采用有效的纠错技术来确保计算的准确性。
此外，和乐量子计算需要基础极强的数学、物理和工程知识，因此开发人员的数量很少。
3 和乐量子计算在哪些领域可以应用？
和乐量子计算可以应用于很多领域，例如加密、信息安全和金融风险管理等。
在化学和物理学领域，和乐量子计算可以用于设计新型材料和药品，甚至可以模拟分子的行为。
在电机工程领域，和乐量子计算可以帮助设计更有效的电机和电网系统。
在人工智能领域，和乐量子计算可以加速机器学习和数据分析的过程，从而提高算法的准确性和鲁棒性。
4 和乐量子计算未来的发展
和乐量子计算是一个前景广阔的技术，其将引领计算机领域未来的发展。
但是，要实现大规模商业应用还需进一步突破技术难点，提高量子比特的稳定性和纠错能力，发展新的量子算法等。
未来，和乐量子计算将会继续被广泛研究和应用，并且将逐渐改变世界的面貌，让人们更高效的进行计算工作。
新型量子材料的研究进展
新型量子材料的研究进展随着科学技术的不断发展，新型量子材料的研究成为了科学界的热门话题。
量子材料是一类具有特殊化学组成和结构的材料，其特殊结构和电子状态使其具有与传统材料不同的性质和应用潜力。
以下将介绍一些新型量子材料的研究进展。
第一类新型量子材料是二维材料，也被称为二维量子材料。
最具代表性的二维材料是石墨烯，因其出色的电子传导性能和独特的光学性质而备受关注。
近年来，科学家们还成功合成了一系列其他二维材料，如磷化硼、二硫化钼等。
这些二维材料不仅具有石墨烯的优异性能，还具有各自独特的特性，如较大的能带间隙，可调控的光学吸收谱等。
研究人员正在进一步探索这些二维材料的性质和应用，例如在电子器件、光电传感和催化等方面的应用。
第二类新型量子材料是拓扑绝缘体。
拓扑绝缘体是一种具有特殊的电子能谱和边缘态的材料。
与普通绝缘体不同，拓扑绝缘体在其表面具有导电的边缘态，这些边缘态能够保持在一定的能量区间内。
这一特性使得拓扑绝缘体具有巨大的应用潜力，例如在量子计算和量子通信方面。
科学家们已经发现了一些具有拓扑绝缘体特性的材料，如拓扑绝缘体材料Bi2Se3和Bi2Te3等。
未来的研究将致力于发现更多拓扑绝缘体材料，并进一步理解其电子结构和相互作用机制。
第三类新型量子材料是拓扑超导体。
拓扑超导体是一种同时具有超导性和拓扑特性的材料。
超导性是一种电阻为零的状态，而拓扑特性则使得其在面临外界干扰时依然具有稳定的边缘态。
拓扑超导体的研究是量子材料领域的热点之一，主要关注于寻找更多具有拓扑超导特性的材料，并揭示其奇异的量子现象。
例如，科学家们已经发现了一些具有拓扑晶体绝缘体和超导性的材料，如铋碲砷化物和铋锡纳米线等。
拓扑超导体的研究对于量子计算和量子信息领域具有重要意义。
尽管新型量子材料的研究已经取得了许多重要进展，但仍然存在一些挑战和困难。
一方面，许多具有潜在应用价值的量子材料还没有被发现。
另一方面，理解和控制这些材料的电子结构和性质依然面临困难。
化学反应中的过渡态能级分析
化学反应中的过渡态能级分析化学反应是一种物质之间发生变化的过程，其中的过渡态能级分析是研究反应物到产物转化过程中的关键步骤。
过渡态能级分析可以揭示反应机理，理解反应速率和选择性，为设计和优化催化剂提供指导。
本文将介绍过渡态的定义、能级分析的方法以及其在化学反应研究中的应用。
一、过渡态的定义在化学反应过程中，反应物通过具有局部能量极小值的区域进行转化，这个过程中的临界点被称为过渡态。
在过渡态上，反应物和产物之间的键的位置和键级发生变化。
过渡态的形成是反应物转变为产物的必要步骤，其能级与反应速率密切相关。
二、过渡态能级分析的方法1. 半经验方法半经验方法是过渡态能级分析的起点，通过用分子轨道理论和量子力学计算相应的分子轨道能级信息，可以粗略地描绘化学反应的过渡态能级。
常见的半经验方法包括分子轨道理论、Hückel法和密度泛函理论等。
2. 量子化学计算方法量子化学计算方法引入更精确的计算，使用波函数理论和密度泛函理论进一步分析分子体系的电子结构。
通过计算反应物、过渡态和产物的能量，可以获得相对于反应坐标的能垒高度，并计算反应速率常数。
3. 非绝热动力学方法非绝热动力学方法结合了经典力场和量子力学方法，通过模拟分子间的动态行为来揭示反应的细节，包括能量转移、转动振动耦合和反应路径选择性等。
三、过渡态能级分析在化学反应研究中的应用1. 了解反应机理过渡态能级分析可以帮助研究人员理解反应物转变为产物的过程。
通过分析过渡态的结构和能垒，可以确定反应机理中的关键步骤和反应中间体的形成。
2. 预测反应速率过渡态的能级与反应速率密切相关，通过过渡态能级分析可以预测反应速率常数。
这对于合成新的化合物、开发新的催化剂以及优化化学过程都是至关重要的。
3. 探索选择性过渡态能级分析还可以揭示反应路径选择性。
通过计算不同反应路径上的过渡态能级，研究人员可以确定一种反应路径相对于其他路径的竞争性，从而解释不同的产物选择性。
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January 2019Vol.43 No.l2019年1月 第43卷第1期安徽大学学报(自然科学版)Journal of Anhui University (Natural Science Edition)doi ： 10.3969 j.issn. 1000-2162.2019.01.001非绝热和乐量子计算新进展薛正远，陈涛(华南师范大学物理与电信工程学院，广东广州510006)摘要：量子计算是基于量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模型.众所周知.对噪声不 敏感的高保真度量子逻辑门是实现大规模量子计算的关键.儿何量子计算是利用几何相位来实现量子逻辑门 操作的量子计算策略.其特点是利用几何相位的整体性质避免某些局域噪声对量子操作的影响.从而实现高 保真度的量子逻辑门.因此.基于几何相位的量子操控是量子信息处理领域中非常重要的研究课题.该文以基 于非阿贝尔几何相位的和乐量子计算为例，介绍非绝热和乐量子计算方案的新进展.关键词:和乐量子计算；几何相位;超导线路中图分类号：O431 文献标志码：A 文章编号：1OOO-2162(2O19)O1-OOO1-15Recent progress on nonadiabatic holonomic quantum computationXUE Zhengyuan- CHEN Tao(School of Physics and Telecommunication Engineering. South China Normal University. Guangzhou 510006. China)Abstract : Quantum computation, processing quantum information based on the laws of quantum mechanics, is a new computation model. As it is well known, high-fidelity quantum gates, which are insensitive to noise, is the key to realizing large-scale quantum computation. Geometric quantum computation utilizes geometric phases, which are insensitive to certain local noises due to the global properties, and thus lead to high-fidelity quantum logic gate. Therefore* quantum manipulation based on geometric phases is an important research topic in quantum information processing. In this review, taking the holonomic quantum computation, based on non-Abelian geometric phases, as a typical example ・ we summarized the recent progress on its nonadiabatic implementation.Keywords : holonomic quantum computation ； geometric phases ； superconducting circuits量子计算是基于量子力学规律调控量子信息单元进行计算的一种新型计算模型•相对传统的经典 计算,量子计算能更有效解决一些经典计算机难以解决的问题1 .但它在理论和应用上均面临很大挑 战，尤其是量子信息处理过程•一方面，量子体系与环境间不可避免的相互作用导致量子系统的退相干, 使计算要求的量子系统相干性无法保持;另一方面.大规模量子计算的实现需要纠正量子程序执行过程 中产生的错误•因此.通用量子计算要求实现高保真度的完备量子门组合.子计算存在的问题，实现高保真度的量子操控，一系列基于阿贝尔⑵和非阿贝尔几收稿日期:2018-12-13基金项目:国家重点研发计划项目(2016YFA0301803);国家自然科学基金资助项目(11874156)作者简介：薛正远(1983-),男.安徽凤阳人.华南师范大学研究员.博士生导师.博士 .E-mail ： zyxue83@ .2安徽大学学报（自然科学版）第43卷何相位的量子计算方案*⑹相继被提出•由于几何相位具有仅依赖过程整体的性质，基于几何相位的量子操作就能天然避免一些局域噪声的影响•但是，早期的几何量子计算方案是基于绝热演化获得的几何相位来实现量子门的，为满足绝热条件，系统将长时间与环境相互作用,会带来较大的退相干，同时绝热操控的门速度也十分缓慢.为克服这一困难.研究人员提岀了基于阿贝尔“闵和非阿贝尔相位歸2啲非绝热几何量子计算，实现了快速的高保真度的量子门.这一方案在多种量子体系中得到了实验验证，如超导线路体系、NMR体系及金刚石电子自旋（金刚石色心）体系等酬呦.为突破当前几何量子计算物理实现中一些局限,在超导线路体系中实现非绝热和乐量子计算方案已成为研究热点•超导线路体系具有易集成、操作快等优点,是最有希望实现量子信息处理的体系之一,因此如何在这样一种简便体系中实现非绝热和乐量子计算成为关键.此外，超导线路体系易集成为二维晶格结构，具有支持大规模量子计算的优势，因而提供了一种实现非绝热和乐量子计算的有效途径.笔者简要综述非绝热和乐量子计算方案在理论和实验方面的新进展•论文内容安排如下:第1节介绍几何相位的一般构建方法.第2节详细介绍基于非阿贝尔相位下非绝热和乐量子计算方案的理论及其物理实现•第3节介绍可优化的非绝热和乐量子计算.第4节是全文的总结和该方向后续工作匚呵的展望.1几何相位的一般构建方法简要介绍从量子体系的含时哈密顿量H（r）岀发构建体系演化的几何相位.选取一组与H（t）同一维度的、满足薛定帶方程i丨0”,（C〉=H（t）|如（t）〉的正交基矢｛|如（门〉｝,计算可得I¢,”（门〉=U（t）I0”（0）〉，其中U（t）=Texp^—i J jff（r/）dz/J=Texp^—i j工|（0））＜（/）,…（0）=工于exp]—i：H（t'）dr']|0,”（O）〉〈°,”（O）|三丫丨0”（t）〉〈0”（0）|,（1）m0m其中：f为编时算符•为保证演化空间完成最终的循环路径，选择一组辅助基矢｛|5（刀〉｝，其中：I巧（刀〉=exp[—（r）]（?）满足边界条件I如（乙）〉=|（r）＞=|5（0）〉=|（0）＞.（2）需要注意的是，由于丨切（刀〉不满要足薛定谭方程，因此以上边界条件总是可以满足.丨0昭门〉由｛丨5（刀〉｝展开为如（f）〉=£c加（f）丨以（刀〉，（3）k其中：C kmJt'是一个含时的系数矩阵兀，且C km（0）=S km时刻，有U（）=|如（7"）〉〈如（0）I=c尿（）丨以（I"）〉〈。
刃（0）I=c km（厂）丨以（0）〉〈5（0）I, m k,m k,m因此，在满足循环演化条件的时刻,演化算符的矩阵元为（r）.下面分析此时系统哈密顿量的形式.对式（3）两边求导可得I0,”（r）〉=工（“”（r）|以（t）〉+c km（f）v k（z）＞）,k代入薛定帶方程后可得CbnCt）=—i工[H/&）—=一i》H费（t）c切（t）.k k可知，此时矩阵的第加列矢量由有效哈密顿量H*=H"~A lk（t）确定，其中H从（上）=〈以（匸）|HU）|以（t）〉=exp[i/\（t）—i几（¢）]〈⑷（t）H（t）|似（t）〉=iexp[i九（¢）一i几（/）]〈仞（t）|0&（t）〉,Ai k（t）=i（viCt）|K）〉=iexp[i九GO]〈仞（f）|号｛exp[—i几（切|快（t）〉｝=第1期 薛正远，等:非绝热和乐量子计算新进展 38ikfk (t )+iexp ［i//(O — <^/(O | 如(t)〉・通过计算可得H 劭=—8ikf k (^) 9 (4)c 尿(f) =5加 C wz(t ), 5“(刀=exp(i 几(t)). (5)因此，演化算符最终的形式为U (T )=2>””(r) | 以(0)〉仆”(0) |=2>以"| 以(0)〉〈》”(0) | =k,m k,m2>皿 I 切(0)〉〈””(0) 1=工 e" | 為(0)〉〈仏(0) | , (6)m m其中：/m (r)为演化过程产生的总相位•在以｛丨0”(门〉｝为演化态的几何量子计算中，为使得到的相 位为纯几何相位，要求〈如(t) | 0&(t)〉= — i 〈仞(t) | H(t) | 保(t)〉=0 (7)任意时刻均成立.此条件的物理含义是所有演化态在演化过程中不发生相互跃迁，即满足平行输运条 件.值得注意的是，在绝热过程中,此条件要求哈密顿量随时间变化必须非常缓慢囚.最终目的是得到对 角化的有效哈密顿，且使f m (r)是纯几何相位.综上所述，构建｛丨/,”&)〉｝为演化态的非绝热几何相位量子门，需满足式(2),(7),它们分别对应 循环演化条件和平行输运条件•当然，也可选择｛"”&)〉｝作为演化态构造几何相位口°〕，通过选择 ｛| 的形式，可放松条件(7)的约束，使哈密顿量具有更大的灵活性.2非绝热和乐量子计算方案2.1非绝热和乐量子门在最近的非绝热演化方案［如中，式(7)的平行输运条件是可以通过对系统哈密顿量的结构和参数 的限制来达到的.具体来说，考虑一个3能级体系，如图1(a)所示,体系的3个裸态能级分别为|0〉，| 1> 和丨e 〉，它们的能量分别为切。
,®和w f , | 0>和丨1>可分别通过频率为必，“的激光激发使其激发跃 迁至丨e 〉.此情况下，这3个能级形成一个A 型3能级结构.在相互作用绘景中，忽略高频震荡项，体系 和激光相互作用的哈密顿量可表示为H(Q=4o | 0X0 | + Z\! | 1X1 | + fi(0(wo I e 〉〈0 | + wi | e 〉〈l |+H.c.),其中：△* =2^k —w ek ,w ek =w e —w k 4=1,2),去的大小随以的变化而变化；3o 和an 为激光参数，描 述丨0〉一 |e 〉和丨1〉~ |e 〉跃迁的相对强度和相位，且Iwi |2=1.哈密顿量的打开和关闭可通 过实数耦合强度的调整实现.|0> |1> \b> \d>图1文献［16］中用于实现非绝热和乐单比特量子门的能级图若采用=0的双光子共振过程,则哈密顿量可简化为I e 〉〈0 +wi | e 〉〈l |+H.c.)=Q(r) e)<b |+H.c.. (8)这种情形下，哈密顿量H ⑴(t)的演化实际上是亮态丨6〉=®： I 0〉+ w r | 1>与激发态丨e>间频率为=/靳丨+ 如/的Rabi 震荡，其等效能级如图1(b)所示.哈密顿量H ⑴(t )将存在一个本征 能量为零的暗态丨d 〉=—3\ \ 0〉+靳丨1〉，其动力学演化可从以上计算空间中解耦出来,也就是此态不4安徽大学学报(自然科学版)第43卷可知,演化过程能始终满足平行输运条件<6(?)I d(C 〉=O,因此整个演化路径的相位是纯几何的.注 意，此条件成立的前提是式(8)限定的两束耦合脉冲的波形是同步的.也就是说，当wo =sin(0/2)e^和会与激发态丨间.由e 〉发生跃迁._z(r) =「Q"') At' =7.时，体系完成一个周期循环演化回到计算基失空J 0(1 力(才)〉=| 〃〉，(9)\ 6(f)〉=cosjr(f ) )〉一 isinzd) | e)on = —cos(0/2)时，若要求两束耦合脉冲波形同步，必须6=0.因此，此方案的几何相位构建受限于哈 密顿量的结构及其参数•此局限性也是后续需要改进之处.满足以上条件后，演化算符在基矢｛丨e 〉，| 6〉，| d 〉｝下可写为-10 0'UM = 0-10,0 0 1.易知,演化态丨b>获得了一个兀的几何相位.演化算符在计算基矢｛| 0>, | 1>, | e 〉｝下可表示为U(r) =eT " <!)d, = I — iHsin(z (r )) — H ' [I 一 cos (j ? (r))]=cosd sin6eT'r 0'1 — 2H2 = sin0e 片 一 cos0 0 .0 01(10)将U&)截取至计算子空间｛| 0>, | 1>｝,可得和乐单比特门U ⑴(C ”)=cosd sin^e*sinOeF '="• <r ,一 cosd ,(11)其中：n =(sin0cos° ,sin0sin 卩，cos0)为3维实空间中的一个单位矢量，<r =(几,a y )为作用在丨0〉 和丨1〉上的泡利算符•连续进行两个不同路径的周期演化，不同演化路径对应的单位矢量分别为n 和 "Z.则式(11)可进一步表达为U ⑴(C)=U ⑴(C,”)U ⑴(C ”)=n •〃一 ie • (n X zn ) , (12)其为一个SU(2)变换.通过选择合适的单位矢量"和"一所有的单比特门均可通过这种非绝热的几何 方法得到.从上可知,要通过两个循环才能得到一个任意的和乐单比特量子门，这是此方案的另一局限 性所在.要实现通用的量子计算，除了单比特门，还需要非平庸的两比特门•接下来，说明如何得到非绝热的 两比特和乐量子门.考虑一个有一系列束缚的离子体系，其中每个离子均有一个如上文所述的A 型3能级结构.当对其 中的一对离子分别施加频率为士5 土d)和±5干d)的激光激发时，丨0〉—| e 〉和门〉e 〉的跃迁就 在两个离子间同时进行.非对角的激发态丨e0>, | 0e>, | el 〉，| le 〉可通过两束激光的Rabi 频率 Ir2ol 和|远远小于v 来进行有效的抑制.两个离子在Lamb-Dicke 近似下的有效哈密顿量为H ⑵[ So (力 I (x) ff 0 (^>) — | Qi (t) 2<7i (—卩)(x) (—甲)],其中：少为 Lamb-Dicke 参数，且犷《1; <7。