发展量子纠缠轨线方法研究多原子碰撞过程中的量子效应

Theoretical study of polyatomic collision process is a challenging work, which is also the frontier and difficulty in many research fields. Classical mechanical method and quantum mechanical method are the main research approaches. However, the classical method suffers its inability to properly treat the quantum effect, and the usage of the quantum method would cost a great deal of computer time. Quantum entangled trajectory molecular dynamics (QM-ETMD) method is simple in mathematical form and has excellent numerical computation performance. The QM-ETMD method can describe the quantum effect in a reaction, and it has smaller computational cost than full quantum method. Therefore, this method has great application value in the study of high-dimensional polyatomic collision process. The purpose of the present project is to develop the quantum entangled trajectory method and theory, and applying it to the study of polyatomic collision process. Based on this method and theory, a program will be constructed. The program will be used to study several typical polyatomic collision systems, and the influence of quantum effect (such as geometric phase effect or resonance state) on the micro mechanism of collision process can be available based on the analysis and comparison with other theoretical and experimental results. The theory and program of the present project is expected to be extended to the study of photodissociation, ultracold molecule collision, and energy transfer and reaction mechanism of polyatomic reaction system.

多原子碰撞过程的理论研究工作是一项富有挑战性的工作，也是多个研究领域的难点和前沿。经典力学方法和量子力学方法是当前的主流研究方法。然而经典方法难以处理量子效应，使用量子方法则需要承担巨大的计算量。量子纠缠轨线分子动力学方法具有简洁的数学表达和良好的数值计算特性。该方法能描述碰撞反应过程中的量子效应，且计算代价相比全量子方法更小，因此其在高维的碰撞过程的研究中有很高的应用价值。本项目的目的是发展量子纠缠轨线方法与理论，将其应用于多原子碰撞过程的研究，并以此为基础开发计算程序。我们拟使用该程序计算几个典型的高维碰撞体系，通过与其他理论和实验结果的对比分析，探索量子效应（如几何相位效应、共振等）如何影响碰撞反应的微观机理。本项目的理论和程序有望扩展到光解离、超冷分子碰撞以及大分子体系的能量转移和反应机理的研究当中。

多原子碰撞反应过程的理论模拟是原子与分子物理和分子反应动力学中的重要研究内容，也是一项富有挑战性的工作。以往的准经典轨线法虽然计算量小，但是不能处理量子效应；而传统的量子力学方法虽然可以处理量子效应，但是计算量太大。基于量子相空间理论的量子纠缠轨线方法有望综合上述两者的优点：该方法既可以描述量子效应，计算量又比全量子方法小。本项目主要研究内容是发展量子纠缠轨线动力学方法和理论，将其用于多原子碰撞的高维动力学研究中。项目目前得到的重要成果一是基于量子相空间理论中的Wigner分布函数推导了低维度的纠缠轨线理论公式，这是对本项目的理论基础进行的可行性验证；二是在低维度方法的基础上对高维（主要是三维）的纠缠轨线理论公式进行了推导研究工作，随后进行了编程和测试；三是为了和纠缠轨线动力学方法的理论结果进行对比，我们使用了传统的经典和量子力学方法对C+ + H2反应体系的动力学进行了部分研究工作，此外还使用从头计算方法对两种双原子分子的光谱性质进行了研究。本项目的实施在多原子碰撞过程动力学的研究领域中，是对已有的理论研究方法的一个有益的补充。从量子相空间理论的角度对碰撞过程进行研究分析，是与以往的研究不同的视角，可以得到更全面的动力学信息。本项目的实施有望扩展到光解离、超冷原子碰撞以及大分子体系的能量转移和反应机理的研究当中。