Kang-Kuen Ni团队的实验装置。

图片来源：Lee Liu 和 Yu Liu（Ni团队成员）

在近日发表于《科学》期刊的一篇论文中，美国哈佛大学Kang-Kuen Ni带领的团队利用单个钠原子和铯原子实现了世界上最精确的化学反应，这项研究不仅能够帮助我们在原子层面上理解化学反应，还可能在量子计算领域得到广泛应用。

化学反应起源于反应物之间的相互作用，在微观上这个过程通常是随机的，我们观测到的宏观反应过程往往是全局的平均结果。因为大规模、随机的化学反应会抹杀反应本身一些独特的性质，故科学家不断地尝试缩小化学反应的规模，从而精确控制化学反应过程。

哈佛大学化学系助理教授Kang-Kuen Ni和她的同事在这个方向上取得了很大的突破。他们首次在实验室中精确控制两个原子结合，形成所谓的偶极分子（dipolar molecule）。这是目前世界上最为精确控制的化学反应。

研究者团队首先将单个钠（Na）原子和铯（Cs）原子置于超高真空环境中，用激光冷却至绝对零度附近，然后利用“光镊势阱”（optical tweezer trap）技术捕获单个原子，从而能够对单原子进行精确的移动。接下来，研究团队移动铯原子的势阱，使其与钠原子势阱重合，并发射激光脉冲，激发化学反应。实验的基本思想很简单，但却需要精尖的技术和细致的操作。

Kang-Kuen Ni

Kang-Kuen Ni表示：“每个反应的原理都是如此，原子和分子在微观层面上会单独结合。我们这项工作的不同之处是对这个过程施加了更为精确的控制。”之前科学家仅实现了单个原子在其他类型原子团中的化学反应，Ni和她的同事将这个方向的工作推进了一大步。

研究人员称，这项工作不仅可以加深人们对物质量子相的理解，还有可能作为一种新的量子比特，在量子计算领域得到广泛应用。

“量子信息处理是我们很感兴趣的方向之一。在日常生活中，我们需要各种各样的分子来产生不同的作用。但是分子的构型可能太多，目前传统的计算机的计算能力远远不能满足我们对其进行充分的探索。如果我们拥有可以解决复杂问题从而可以有效模拟大量分子构型的的量子计算机，那么这一研究结果的影响将是深远的。”Ni说。

目前，由于钠原子和铯原子均处于激发态，反应产生的NaCs分子寿命还很短暂。下一步，Ni和她的团队打算将他们的工作推广到基态（ground-state）反应，从而产生生命周期更久的分子。同时，研究团队表示，他们的方法原则上还可推广到其他类型的原子。

“这项工作的灵感来源于几个不同的方向。我们最关心的是物理作用和化学作用是如何干预复杂反应过程的。我们首先对最基本的情况做了实验，这个过程由量子力学主导。此后我们可以将这个基本的量子构件组合成更复杂的系统，这是这项工作的主要目的。”Ni表示，在证明了其可行性之后，她相信很多同行会跟进这项研究。

精确控制化学反应过程一直是科学家长期以来的目标，因此Ni的工作令很多研究者为之兴奋。后续研究想必会接踵而至，超精确控制的化学反应还有什么样的独特性质？其他原子反应的产物性质如何？这项研究是否能在量子计算领域产生突破？这些问题都有待研究者来回答，让我们拭目以待。