我国科学家成功构建超越经典计算机的超冷原子量子模拟器

本文转自：人民日报客户端

徐靖

中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人，成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，朝着“获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用”迈出了重要的第一步。这标志着我国在量子计算研究领域的第二阶段中取得里程碑式进展。研究成果于7月10日在线发表于国际学术期刊《自然》杂志。

由于具备科学价值和潜在的经济效益，以高温超导为代表的强关联量子材料，有望推动未来科技的发展。然而，这些新型量子材料背后的物理机制尚不明确，难以实现有效可控的规模化制备和应用。费米子哈伯德模型由英国物理学家约翰·哈伯德于1963年提出，被认为是有希望解释高温超导机理这一困扰物理学界近40年难题的核心物理模型，但其研究面临巨大挑战：一方面，该模型在二维和三维下没有严格解析解；另一方面，计算复杂度非常高，即使是超级计算机也无法进行有效的数值模拟。

中国科大物理学院执行院长、教授陈宇翱介绍，在该研究中，构建量子模拟器验证包括掺杂条件下的反铁磁相变，是实现能够求解费米子哈伯德模型的专用量子模拟机的第一步，也是获得该模型低温相图的重要基础。

为验证反铁磁相变，超冷原子量子模拟器必须满足两个关键条件：首先，需要建立空间强度分布均匀的光晶格系统，确保费米子哈伯德模型的参数在大尺度上保持一致；其次，系统温度必须显著低于反铁磁相变温度，这样反铁磁相才可能出现。然而，以往实验中光晶格强度的非均匀性和费米原子制冷存在的困难，使得上述两个关键条件一直无法得到满足。

团队姚星灿教授说，为解决这些难题，团队在前期研究基础上，进一步降低盒型光势阱的强度噪声，并结合机器学习优化技术实现了最低温度的均匀费米简并气体制备，满足了实现反铁磁相变所需要的低温。进一步，研究团队创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合，实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。

在此基础上，研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，直接观察到了反铁磁相变的确凿证据——自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象，从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。

该工作始于2011年，历经13年探索，推进了对费米子哈伯德模型的理解，为进一步求解该模型、获取其低温相图奠定基础，也首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。《自然》杂志审稿人对该工作给予了高度评价，称该工作“有望成为现代科技的里程碑和重大突破”。