我國科學家成功構建超越經典計算機的超冷原子量子模擬器

本報合肥7月10日電（中青報·中青網記者 王海涵 王磊）中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人，成功構建求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝着“獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用”邁出了重要的第一步。這標誌着我國在量子計算研究領域的第二階段中取得里程碑式進展。研究成果於7月10日在線發表於國際學術期刊《自然》雜誌。

由於具備科學價值和潛在的經濟效益，以高溫超導爲代表的強關聯量子材料，有望推動未來科技的發展。然而，這些新型量子材料背後的物理機制尚不明確，難以實現有效可控的規模化製備和應用。費米子哈伯德模型由英國物理學家約翰·哈伯德於1963年提出，被認爲是有希望解釋高溫超導機理這一困擾物理學界近40年難題的核心物理模型，但其研究面臨巨大挑戰：一方面，該模型在二維和三維下沒有嚴格解析解；另一方面，計算複雜度非常高，即使是超級計算機也無法進行有效的數值模擬。

中國科大物理學院執行院長、教授陳宇翱介紹，在該研究中，構建量子模擬器驗證包括摻雜條件下的反鐵磁相變，是實現能夠求解費米子哈伯德模型的專用量子模擬機的第一步，也是獲得該模型低溫相圖的重要基礎。

爲驗證反鐵磁相變，超冷原子量子模擬器必須滿足兩個關鍵條件：首先，需要建立空間強度分佈均勻的光晶格系統，確保費米子哈伯德模型的參數在大尺度上保持一致；其次，系統溫度必須顯著低於反鐵磁相變溫度，這樣反鐵磁相纔可能出現。然而，以往實驗中光晶格強度的非均勻性和費米原子製冷存在的困難，使得上述兩個關鍵條件一直無法得到滿足。

團隊姚星燦教授說，爲解決這些難題，團隊在前期研究基礎上，進一步降低盒型光勢阱的強度噪聲，並結合機器學習優化技術實現了最低溫度的均勻費米簡併氣體制備，滿足了實現反鐵磁相變所需要的低溫。進一步，研究團隊創造性地將盒型光勢阱和平頂光晶格技術相結合，實現了空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱製備。

在此基礎上，研究團隊通過精確調控相互作用強度、溫度和摻雜濃度，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據——自旋結構因子在相變點附近呈現冪律的臨界發散現象，從而首次驗證了費米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。

該工作始於2011年，歷經13年探索，推進了對費米子哈伯德模型的理解，爲進一步求解該模型、獲取其低溫相圖奠定基礎，也首次展現了量子模擬在解決經典計算機無法勝任的重要科學問題上的巨大優勢。《自然》雜誌審稿人對該工作給予了高度評價，稱該工作“有望成爲現代科技的里程碑和重大突破”。

來源：中國青年報

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