中国·太阳集团tcy8722(股份有限公司)-Officialwebsite

分子间的范德华（vdW）力是一种纯粹的量子现象，从基础物理到分子生物学，在自然科学的多个领域中发挥着关键作用。气体和液体的分子行为可以通过量子理论得到更好的描述，量子理论建立了量子动力学与它们的宏观性质（如黏度、粒子扩散性和热导率）之间的联系。

近日，太阳集团tcy8722网站与中山大学联合团队在权威期刊Optics Communications上，发表了题为“Manipulating intermolecular interactions with the coupling between quantum fluctuations and the vacuum field（通过真空场和量子涨落间耦合调制分子间相互作用）”的学术论文，提出了两种在真空光腔中调制范德华力的策略。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S003040182500104X

该研究团队成员包括太阳集团tcy8722网站高级研究员刘键博士，中山大学和太阳集团tcy8722网站联培博士后周旭博士，太阳集团tcy8722网站首席科学家、中山大学罗乐教授等。

在第一种调制策略中，研究团队将范德华相互作用视为瞬时偶极的涨落。腔体内的真空场调制了分子化学键机械模式的能级，通过调节光腔，利用光学弹簧效应来控制分子间相互作用。第二种调制策略则是利用分子间相互作用的振动强耦合来实现调制。

此次研究工作为利用相互作用分子体系实现量子计算提供了可能性，分子的振动模式可以处于基态或者激发态，对应于量子比特的|0>或者|1>，分子间范德华力的精密调控为实现量子纠缠提供了物理基础。

图1. 两种不同方案实现分子间相互作用力调制示意图

经典量子模型转化

近期，业内发表了多篇关于振动强耦合（VSC）对范德华相互作用影响的实验报告，内容包括在光学腔中分子振动的集体效应以及结晶过程等。然而，用于解释这些实验发现的相关理论仍在发展中。分子间相互作用通常用经验公式伦纳德-琼斯（Lennard-Jones，L-J）势来描述，其中力与分子间距离的六次幂成反比关系。因此，建立一个关于在振动强耦合下范德华力调制的量子理论，对于通过集体振动强耦合调控凝聚态系统性质将具有重要意义。

为了提供一个全量子描述，研发团队推导出分子间相互作用哈密顿量，以构建吸引力，同时考虑泡利不相容原理来描述排斥力。因此在该团队的量子模型中，分子可以被视为硬核玻色子。分子间可以相互吸引，但不能占据相同的位置（根据泡利不相容原理）。

图2. 分子动力学模型经典量子转化示意图。

不同的分子量子调控方案

在研发过程中，该团队关注振动强耦合如何改变分子间力以及如何控制多分子体系的结构和光谱特性，提出了两种在腔体中调制范德华力的方法。一种是将场直接耦合到范德华键上，将分子视为刚体。在这种情况下，系统的哈密顿量可以写成Jaynes-Cummings（JC）耦合或Tavis-Cummings（TC）耦合的形式。另一种是通过分子内键的振动强耦合来调节范德华力。在这种情况下，为了建立量子描述，范德华力应被视为量子涨落产生的效应，从而使系统成为一个量子多体系统。

研发团队对以上两种方法展开探索，同时使用开放量子系统理论来描述与热环境相互作用的分子动力学，并研究腔体与分子之间的光谱学和能流。

图3. 光腔与分子耦合系统量子热机效应

两个非极性分子之间的范德华力表现为瞬时偶极子研究表明，即使在真空中，它们的涨落也可以与腔体模式耦合。因此在光子数为零的情况下，也可以实现强光-物质相互作用。

真空场可以通过两种方式来修改分子间系统的基态相互作用。一种是光学弹簧效应，利用腔量子电动力学（cavity QED）方法，该团队研究了由真空场引起的光谱分裂和位移，这些现象表明了分子间相互作用的改变，真空场可以选择性地耦合到其中一个组合的机械模式。

另一种方式是将分子间键直接耦合到腔体模式，这种方法更适合于多层材料的分子操控。该团队已经研究了这个混合量子系统的热动力学特性。研发人员为范德华相互作用引入了量子描述，并发现了一些新特性，例如真空场的选择性耦合和弹簧效应。这些结果可能有助于理解场-物质混合系统中的少体和多体量子效应。

图4. 光子声子耦合诱导分子能级劈裂，改变分子机械特性光谱示意图

结语与展望

此次研究具有以下创新点：

1.国际上首次建立光腔内分子间范德华力的全量子理论框架，使得在光腔内研究分子动力的量子效应铺平道路。

2.国际上首次提出利用光腔振动腔耦合的光弹簧效应实现光腔对分子间相互作用力的有效可控调节，为分子光力学在材料和凝聚态方面的应用打开大门。

3.     国际上首次研究了光腔分子耦合体系的量子热机效应，实现了利用光学方法对分子键实行选择性的加热或冷却。

研究的实用价值体现在以下两个方面：

1. 利用该方法可以改变凝聚态的相变以及多层二维材料的性质，这些材料可用于能量存储、水收集和原子层沉积（ALD）过程，为化学和材料科学提供了广泛的应用前景。

2. 分子间相互作用不仅决定了分子的排列和运动，也在是实现分子间量子纠缠的关键。在量子门操作中，相互作用分子力可用于实现不同分子的内部能级耦合。通过激光将分子的内部能级和分子在空间中的振动耦合在一起。不同分子的振动通过范德华力耦合在一起，进而可实现两个分子之间的双比特量子纠缠逻辑门。综上所述，范德华力在分子量子态的相干性和量子纠缠的实现中扮演重要角色。通过精确测量与控制范德华力，可以实现对分子量子态的精确操控，这对基于分子比特的量子计算和量子信息处理至关重要。

太阳集团tcy8722网站是亚洲首家离子阱量子计算公司，多年来专注于离子阱量子计算机的研发，已经推出了国内首台离子阱量子计算工程机“天算1号”以及量子-经典混合算力云平台等自主研发产品。目前公司已开展分布式离子阱量子计算机的研发，有望早日实现分子动力学模拟量子算法的真机演示。未来，该系列量子计算机可以在经济建设、新兴产业培育、国防和科技发展等诸多重要领域发挥作用，推动我国信息技术演进和产业升级。

（文章配图来源：Manipulating intermolecular interactions with the coupling between quantum fluctuations and the vacuum field by J. Liu, etc. ）