刘剑

男， 北京大学， 教授/研究员/教授级高工或同等级别

学习/工作经历

1995年9月至2000年7月 中国科学技术大学 （本科，学士）
2000年8月至2005年9月 University of Illinois at Urbana-Champaign （研究生，博士）
2005年9月至2010年8月 University of California, Berkeley （博士后）
2010年9月至2011年8月 University of California, Berkeley （研究助理）
2011年9月至2012年12月 Stanford University （研究助理）
2012年12月至今 北京大学 （特聘研究员 / 教授）

研究领域和兴趣

理论与计算化学，化学动力学，统计力学，光谱，相空间量子力学，路径积分量子力学, 激发态动力学，光化学，燃烧化学，反应速率理论，物理有机化学

主要业绩

阐明复杂分子体系动力学、光谱、热力学性质中原子核量子效应长期以来是现代理论化学和应用数学交叉领域的一个重要挑战。刘剑课题组为这方面的理论概念和方法发展近年来做出下列原创性贡献：
1） （路径积分）分子动力学的构型空间采样方法是研究复杂分子体系（量子）统计力学的有效准确手段。我们基于相空间演化算符建立了一个新框架，使得已有的各种随机性热库（包括安德森热库、朗之万方程等）和决定性热库（包括Nose-Hoover和Nose-Hoover-Chain等）得以统一描述，也适用于各种控压算法，不仅厘清了近30多年来的传统算法针对演化时间步长计算效率低之根本原因，而且设计、实现了更高效的居中方案，解决了时间步长小引起等温等压系综或等温等容系综采样效率低这一问题。
2） 针对绝热分子体系，把路径积分理论和相空间量子动力学统一框架自洽地结合起来，发展了第一个实用量子动力学方法，能同时满足对谐振子体系的准确处理以及平衡系统热力学物理量不随时间变化这两个基本要求，克服了过去近30年的实用凝聚态量子动力学方法的一个主要缺陷，为各种动力学量模拟提供更可靠手段。
3） 针对非绝热分子体系，建立了微分同胚为U(F)/U(F-1)的约束位置-动量相空间和含F个电子态的分子体系之间的严格映射理论，推导出多种严格等价的相空间映射模型；提出离散态自由度的对易子矩阵，对应约束位置-动量相空间的数学结构是复Stiefel流形；并以约束位置-动量相空间理论为基础发展更可靠实用的非绝热量子动力学新方法——非绝热场（Nonadiabatic Field），第一次系统性地指出了非绝热力、相空间初始值条件、相空间积分表示形式等对实用非绝热量子动力学方法的重要性。
这些统计力学和量子动力学理论方法的部分成果已经被刘剑课题组或同行们在AMBER等多种分子模拟软件中实现，并被用于实际化学、生物、材料体系、药物设计等的应用研究。刘剑课题组是国际常用分子模拟软件AMBER的一个Principal Contributor，贡献了线性化半经典动力学程序、路径积分分子动力学的新方案程序、包含分子键长、键角约束条件的高效分子动力学热库算法CPU和GPU程序等。刘剑课题组还开发了量子分子动力学模拟软件包hNaF, PSiNaD, PSiQMD等。

刘剑一直致力于发展复杂分子体系量子动力学和统计力学实用理论和方法等基础性研究，获得了中组部“青年千人计划”和国家杰出青年基金资助、2015年度中国化学会唐敖庆理论化学青年奖、2019年度亚太理论和计算化学家协会的Pople 奖章、2023年北京大学民珠学者奖。2025年入选国际量子分子科学院（International Academy of Quantum Molecular Science）院士和亚太理论和计算化学家协会理事。现为北京大学博雅特聘教授和理论与计算化学所所长。

代表成果

1）Baihua Wu, Bingqi Li, Xin He, Xiangsong Cheng, Jiajun Ren, Jian Liu*, "Nonadiabatic Field: A Conceptually Novel Approach for Nonadiabatic Quantum Molecular Dynamics", Journal of Chemical Theory and Computation, 21, 8, 3775-3813 (2025) https://doi.org/10.1021/acs.jctc.5c00181
2) Youhao Shang, Xiangsong Cheng, Jian Liu*, "Constraint Coordinate-Momentum Phase Space Formulations for Finite-State Quantum Systems: The Relation between Commutator Variables and Complex Stiefel Manifolds", Fundamental Research, https://doi.org/10.1016/j.fmre.2025.09.013
3）Xin He, Xiangsong Cheng, Baihua Wu, Jian Liu*, "Nonadiabatic Field with Triangle Window Functions on Quantum Phase Space", The Journal of Physical Chemistry Letters, 15, 20, 5452-5466 (2024) https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.4c00793
4）Xiangsong Cheng, Xin He, Jian Liu*, "A Novel Class of Phase Space Representations for the Exact Population Dynamics of Two-State Quantum Systems and the Relation to Triangle Window Functions", Chinese Journal of Chemical Physics, 37, 230-254 (2024) https://doi.org/10.1063/1674-0068/cjcp2403033
5）Baihua Wu, Xin He, Jian Liu*, "Nonadiabatic Field on Quantum Phase Space: A Century after Ehrenfest", The Journal of Physical Chemistry Letters, 15, 2, 644-658 (2024) https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.3c03385
6) Xin He, Baihua Wu, Youhao Shang, Binqi Li, Xiangsong Cheng, Jian Liu*, "New Phase Space Formulations and Quantum Dynamics Approaches", Wiley Interdisciplinary Reviews-Computational Molecular Science, 12(6), e1619 (2022) https://doi.org/10.1002/wcms.1619
7) Jian Liu*, Xin He, Baihua Wu, "Unified formulation for phase space mapping models for nonadiabatic quantum dynamics", Accounts of Chemical Research, 54, 23, 4215–4228 (2021) https://doi.org/10.1021/acs.accounts.1c00511
8) Xinzijian Liu, Linfeng Zhang, Jian Liu*, "Machine Learning phase space quantum dynamics approaches", Journal of Chemical Physics, 154, 184104 (2021). https://doi.org/10.1063/5.0046689
9) Xin He, Jian Liu*, "A new perspective for nonadiabatic dynamics with phase space mapping models", Journal of Chemical Physics, 151, 024105 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5108736
10) Xinzijian Liu, Jian Liu*, "Critical role of quantum dynamical effects in the Raman spectroscopy of liquid water", Molecular Physics, 116(7-8), 755-779 (2018) https://doi.org/10.1080/00268976.2018.1434907
11) Xinzijian Liu, Jian Liu*, "Path integral molecular dynamics for exact quantum statistics of multi-electronic-state systems", Journal of Chemical Physics, 148, 102319 (2018) https://doi.org/10.1063/1.5005059
12) Zhijun Zhang, Xinzijian Liu, Zifei Chen, Haifeng Zheng, Kangyu Yan, Jian Liu*, "A unified thermostat scheme for efficient configurational sampling for classical/quantum canonical ensembles via molecular dynamics", Journal of Chemical Physics, 147, 034109 (2017) http://dx.doi.org/10.1063/1.4991621
13) Jian Liu*,"Isomorphism between the multi-state Hamiltonian and the second-quantized many-electron Hamiltonian with only 1-electron interactions", Journal of Chemical Physics, 146, 024110 (2017) http://dx.doi.org/10.1063/1.4973708
14）Jian Liu*, Dezhang Li, Xinzijian Liu, "A simple and accurate algorithmbfor path integral molecular dynamics", The Journal of Chemical Physics, 145, 024103 (2016) http://dx.doi.org/10.1063/1.4954990
15) Jian Liu*,"A unified theoretical framework for mapping models for the multi-state Hamiltonian", Journal of Chemical Physics, 145, 204105 (2016) http://dx.doi.org/10.1063/1.4967815
16) Jian Liu*, "Path integral Liouville dynamics for thermal equilibrium systems", Journal of Chemical Physics, 140, 224107 (2014) https://doi.org/10.1063/1.4881518

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