中国“天元”量子模拟器率先取得量子计算第二阶段重大进展

　　中国迷信技能年夜学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人胜利构建了求解费米子哈伯德模子的超冷原子量子摹拟器“天元”，以超出经典计较机的摹拟才能初次验证了该系统中的反铁磁相变，朝向得到费米子哈伯德模子的高温相图、懂得量子磁性正在低温超导机理中的作用迈出了重要的第一步。相干研究结果于7月10日正在线颁发正在国际学术期刊《天然》杂志上。

动画：量子摹拟试验历程示意

　　因为其迷信价值以及潜正在的伟大经济效益，以低温超导为代表的强联系关系量子资料将极年夜地鞭策将来科技的成长。然而，这些新型量子资料背地的物理机制尚没有明确，难以完成有用可控的范围化制备以及使用。费米子哈伯德模子是晶格中电子静止纪律的最简化模子，被以为是可能形容低温超导资料的代表性模子之一，但其研究不断面对着伟大应战：一方面，该模子正在二维以及三维下不严酷剖析解；另外一方面，计较庞大度很是高，纵然是超等计较机也无奈举行有用的数值摹拟。

　　量子计较为求解若干经典计较机难以胜任的计较难题供给了全新的方案。国际学术界为量子计较的成长设定了三个阶段：一是对特定问题的计较才能超出经典超等计较机，完成“量子计较优胜性”。跟着美国google公司“悬铃木”和中国科年夜“九章”系列、“祖冲之号”系列量子计较原型机的完成，这一阶段的方针已到达；二是完成公用量子摹拟机以求解诸如费米子哈伯德模子这一类重要迷信问题，这是以后的首要研究方针；三是正在量子纠错的帮助下完成通用容错量子计较机。值患上指出的是，实践研究标明，纵然采纳通用量子计较机也难以精确求解费米子哈伯德模子。是以，构建可以求解该模子的量子摹拟机，不只是懂得低温超导机理的有用路子，也是量子计较研究的重年夜冲破。

　　关于整个假想中的费米子哈伯德模子高温相图，实践上仅可以或许明确无掺杂（即每一个格点填充一个电子，又称半满）前提下体系的高温状况是反铁磁态。然而因为体系的庞大性，不只反铁磁态从未患上以试验验证，并且掺杂前提下的体系状况曾经无奈经由过程经典超等计较机举行精确数值摹拟。是以，构建量子摹拟器验证包含掺杂前提下的反铁磁相变，是完成可以或许求解费米子哈伯德模子的公用量子摹拟机的第一步，也是得到该模子高温相图的重要根蒂根基。

　　光晶格中的超冷原子具备体系纯净，原子间彼此作用强度、隧穿速度及掺杂浓度可准确调控等诸多上风，是最有但愿构建公用量子摹拟机以求解费米子哈伯德模子的系统之一。为了验证反铁磁相变，超冷原子量子摹拟器必需餍足两个要害前提：起首，需求成立空间强度漫衍匀称的光晶格体系，确保费米子哈伯德模子的参数正在年夜标准上坚持一致；其次，体系温度必需显著低于奈尔温度（即反铁磁相变温度），如许反铁磁相才可能泛起。然而，以往试验中光晶格强度的非匀称性以及费米原子制冷存正在的坚苦，使患上上述两个要害前提不断无奈获得餍足。是以，反铁磁相变不断无奈完成。

　　为相识决这些难题，研究团队正在后期完成盒型光势阱中的匀称费米超流的根蒂根基上[Science 375, 528 (2022); Nature 626, 288 (2024)]，进一步升高了盒型光势阱的强度噪声，并联合机械进修优化技能完成了最高温度的匀称费米简并气体系体例备，餍足了完成反铁磁相变所需求的高温。进一步，研究团队制造性地将盒型光势阱以及平顶光晶格技能相联合，完成了空间匀称的费米子哈伯德系统的绝热制备。该系统包括约莫80万个格点，比今朝主流试验的几十个格点范围普及了约4个数目级，且系统具备一致的哈密顿量参数，温度显著低于奈尔温度。正在此根蒂根基上，研究团队经由过程准确调控彼此作用强度、温度以及掺杂浓度，间接察看到了反铁磁相变简直凿证据——自旋布局因子正在相变点相近浮现幂律的临界发散征象，从而初次验证了费米子哈伯德模子包含掺杂前提下的反铁磁相变。

　　图.“天元”量子摹拟器示意。白色以及蓝色的小球划分代表自旋相反的原子，它们正在三维空间交错摆列，造成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁正在玻璃真空腔中。/制图：陈磊

　　该事情推进了对费米子哈伯德模子的懂得，为进一步求解该模子、猎取其高温相图奠基了根蒂根基，也初次揭示了量子摹拟正在解决经典计较机无奈胜任的重要迷信问题上的伟大上风。《天然》杂志审稿人对该事情赐与了高度评估，称该事情“无望成为古代科技的里程碑以及重年夜冲破（…which could become a notable milestone for modern science and technology and a major breakthrough）”；“标记着该范畴向前迈出了重要的一步（…marks an important step forwardfor the field）”；“是试验的杰作，是期待已久的成绩（…is an experimental tour de force. This is a long-awaited achievement）”。

　　本项研究得到了科技部、国度天然迷信基金委、中国迷信院、安徽省、上海市以及新基石迷信基金会等的撑持。

　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2