量子化学新突破：提前预测分子基态中的化学键断裂时间

（图片来源：网络）

寻找分子基态是一项巨大的挑战：分子的总电子能（包括动能和势能）处在最低能量态，并且这个“分子系统”不受外部影响（如激发等）。随着化学系统的原子结构越复杂（如在一个大分子中大量电子可以相互作用），要计算其基态就越为困难。

量子化学已应用于寻找小分子基态。例如在分子处于平衡几何构型时，目前的量子算法可以准确地计算出分子基态。但问题是，当化学键在原子之间距离相隔较远时断裂，这些算法求解的结果就会失真。键的形成和解离在众多化学应用中发挥着重要作用，如预测发生化学反应所需的能量。所以，设计新的算法来描述化学键断裂成为量子化学的突破性研究方向。

美国能源部（DOE）布鲁克海文实验室与美国石溪大学的联合研究团队正试图破解这一难题。他们设计出一种全新的量子算法，用于计算化学反应期间特定分子构型的基态，以及预测其化学键断裂时间。该研究结果已发表于《 Physics Review Research》期刊上。《Physics Review Research》评论到，与现有类似算法（包括该团队之前的方法）相比，新算法将帮助科学家显著提高计算分子反应势能面的准确度、可靠性。

具体来说，在原有算法的基础上，布鲁克海文实验室联合团队设计出一种基于绝热演化的量子算法，他们利用连续变化的键长和键角实现光滑的几何变形，以获得量子化学中的分子本征态和本征能。

在 水（H₂O）分子内的特定 O-H 距离处，存在多个能量交叉点 (a)。这就是初始绝热算法失败的原因。相比之下，新算法的距离从更近的点开始逐渐移动，其能级平滑连接，没有任何交叉（b）。（图片来源：该论文）

该团队在论文中指出，此前基于绝热量子算法会发生结果失真，是因为存在沿绝热演化路径的能隙闭合或能级跨越等问题。所以，对于量子化学来说，关键突破点就是在基态和不受激发的电子态之间找到足够大的“能隙”。“新算法解决了原子间距离较远时沿绝热演化路径的能隙闭合和能级交叉相关的问题。与我们之前的绝热方法相比，新方法性能更稳定，精度更高。”

同时，该团队在无噪声量子模拟器上运行了新算法，并通过均匀地拉伸化学键，演示了H₂O，CH₂，以及“H₂+D₂→ 2HD”的化学反应。

石溪大学杨振宁理论物理研究所副教授Tzu-Chieh Wei讲道：“很高兴能推动新算法的发展，我们的研究为量子化学领域的其他工作奠定了基础。”

参考链接：

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

编译：A编辑：慕一