科学家用磁性原子研究扩展赫巴德模型，发现全新量子相变

北京四中校友、芝加哥大学本科、哈佛大学读博、Nature 一作兼通讯......这便是苏麟的求学之路。在这篇 Nature 论文中，他也是十几位作者中唯一一位华人作者。

图 | 苏麟（拍摄：鲍亦澄）

研究中，苏麟等人使用磁性原子成功研究了扩展赫巴德模型，对于量子模拟领域来说是一个里程碑式的突破。

这意味着，物理学家将能通过可控的实验，来研究含有长程各向异性的相互作用、以及量子穿遂的量子系统，并能发现全新的量子相变，有望加快对于非常规超导体和新型二维材料的理解和开发。

这篇论文的核心意义在于开启了全新的分支领域，不少其他实验室也开始搭建相似的实验装置。“期待未来几年在这个新的分支领域里，能有更多新的发现，助力于研究新的材料。”苏麟表示。

（来源：Nature）

据介绍，几十年来理论物理学家一直致力于研究复杂的凝聚态物理现象，比如非常规超导体。然而，迄今为止，很多现象都难以通过解析解或准确的数值模拟来解释。

从根本上来讲，这些现象的产生源头并不是一个或少数几个粒子相互作用的系统，而是多个粒子相互作用的复杂系统。

由于这些粒子的相互作用要用复杂的量子力学来精确地描述，导致针对这些现象的研究成为一个困难的前沿问题。

理论物理学家提出不同的模型来研究新的现象，并使用经典计算机在相对较小的系统中模拟这些现象。然而，如何可控地用实验来验证这些现象并不容易。

十几年前，实验物理学家首次通过冷原子系统针对这些模型实现了“快照”研究。

通过这种方法，科学家们可以精准地观察模型中每个粒子在任意时间点的位置，从而推断出整个系统的量子波函数。这种方法为科学家们提供了全新的测量方法，推动了多体物理的研究。

在不少材料中（例如石墨烯），长程相互作用都发挥着重要作用。然而，由于之前绝大部分量子模拟平台受限于所使用的原子，所以它们都无法模拟长程的相互作用。

十几年来，很多实验室尝试通过操控分子来模拟长程相互作用。尽管取得了不小的进展，但是目前还没有实验室成功制备出足够冷和致密的分子气体，来进行含有量子穿遂的量子模拟。

这里有必要介绍一下“量子模拟”和“通用量子计算”的不同。量子模拟机，只针对于解决某类特定问题。而通用量子计算机可以通过运行量子算法来完成很多不同的任务。

虽然看起来通用量子计算机可以胜任量子模拟机的工作，但实际上并非如此。当前研发的通用量子计算机大多使用 1/2 自旋作为量子比特。

然而，要想使用这些计算机来研究费米赫巴德模型，目前已知的算法需要在硬件上留出来非常大量的 overhead，导致这类通用量子计算机很难用于研究费米赫巴德模型。

十几年来，基于冷原子的量子物理实验，被物理学界乃至整个科学界给予了广泛的关注。

由于相关实验系统是可控且可调的，因此很多难以使用凝聚态样品进行测试的多体物理微观模型，都可以在冷原子实验中得到研究。

（来源：Nature）

而在最近几年各国政府、工业界、以及大众对于量子计算和量子信息的了解，使得具有单原子操控能力的冷原子实验更是蓬勃发展。

而苏麟的课题组积累，又让他们有足够的底气开展本次课题组。十几年前，苏麟的导师马库斯·格雷纳（Markus Greiner）开创了第一个量子气体显微镜（德国一间实验室同时做出了相似成果）。

最近，格雷纳又和哈佛和 MIT 的教授共同研发了可调的光镊原子阵列，并创办了一家名为 QuEra 的量子计算公司[2]。

苏麟说：“导师对于冷原子物理发展的眼光，使得他和自己学生做的工作始终非常耀眼。他非常注重技术细节和技术创新。

每次组会聊到实验的技术难题，他都会两眼放光地和我们讨论他熟知的光学领域。我很幸运加入了他的实验室并受到了他这么多年来的指导。”

“同时我也想坦诚地讲一讲本次课题的成功因素，相信这些因素也适用于我们实验室的其他课题。”苏麟表示。

不可避免地，幸运是一个很重要的因素。由于该团队经常做方向性和技术性的创新，在整个项目中未知始终是大于已知的。

在这篇论文发表之前，苏麟所在的项目经常会受到不少质疑：磁性原子的相互作用这么小，能否通过绝热的方式穿过量子相变来研究新的物质状态？

“其实就连我的导师都很难回答这样的问题，他一般会笑一笑然后略显坚毅地说：‘试一试，应该可以的。’”苏麟说。

很多时候，实验并不是按部就班的工作。苏麟和同事曾耗时一年左右，只为了尝试找到化学势能噪声的来源。期间，他们三番五次地测试很多怀疑的来源，但就是找不到。

这让整个课题组乃至于苏麟的导师都感到有些泄气。最后，用一种新的方法，他们终于找到了问题的源头。

“让人感到讽刺的是，这个源头我们之前检查过，也不止一次排除过。甚至直到现在，我们都解释不清楚当时怎么排除了这个源头。

正是不断地尝试和不放弃，让我们面对诸如此类的技术问题的时候可以脚踏实地地解决。”他说。

由于这是一个复杂的冷原子实验，大部分实验装置都需要自己设计和维护。于是苏麟向其他实验室学习经验，并根据本次实验的特性加以创新，例如他和同事开发了全新的快照方法，从而可以高保真地测量更小的位置信息。

然后，他开始检查实验的每一个环节，确保整个复杂的实验都能像设计方案一样正常运转。其中，他和同事还花了不少精力降低实验系统的化学势噪声。

另外，由于本次研究采用了磁性原子而非不是分子，因此需要格外努力降低化学势噪声，才能高保真地模拟目标模型。

最后，他们通过手动、以及机器学习的方式优化实验参数，降低实验系统的温度，以便研究更加低温的量子相变。

通过收集快照数据，苏麟等人针对量子相变，从多个角度进行研究，并与理论计算进行对比。

（来源：Nature）

苏麟表示：“我们的实验装置可以算是最复杂的桌面实验之一了，在十个博士生的努力下先后用了八年才建成。相比之下，最近在冷原子物理实验中非常流行的光镊原子阵列实验大多只需要三名博士生做三年就可以出成果。”

在设计和搭建的过程中，课题组一心着重于研究本次关于赫巴德模型的内容。“虽然有过不少机会可以做更‘低垂的果实’的课题，但我们并没有改变过方向。这么多年专心致志地研究一个困难的课题并不是一件容易的事。”苏麟说。

由于本次实验非常复杂，而且没有其他实验室做过或正在做相似的工作，最终到底是否能成功一直是个未知数。

幸运的是，苏麟等人使用磁性原子研究长程量子模拟的实验方向被证明具有可行性，并且超出了很多人的预期。

最终，相关论文以《量子模拟器中出现的偶极量子固体》（Dipolar quantum solids emerging in a Hubbard quantum simulatorHubbard）为题发在 Nature，苏麟是第一作者兼共同通讯作者，美国哈佛大学教授马库斯·格雷纳（Markus Greiner）担任共同通讯作者[1]。

（来源：Nature）

目前，苏麟还在哈佛大学读博士五年级，因此他将基于本次成果继续深挖。因为是一个全新的领域，有很多有意思的课题都有待研究。比如，此前人们从未通过“快照”方式研究量子相变和物质状态。

再比如，超固体是一种既展现出流动、却几乎没有阻力的超流体特性，并展现出规则排列的固体特性的物质状态，因此也非常值得研究。

另外，对于费米扩展赫巴德模型的研究，有望让人们更好地理解与非常规超导体相关的物质状态。通过不断优化实验装置和流程，苏麟和同事希望进一步打开多体物理学的大门。

参考资料：

1.Su, L., Douglas, A., Szurek, M. et al. Dipolar quantum solids emerging in a Hubbard quantum simulator. Nature 622, 724–729 (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06614-3

2.Bluvstein, D., Evered, S.J., Geim, A.A. et al. Logical quantum processor based on reconfigurable atom arrays. Nature (2023). https://doi.org/10.1038/s41586-023-06927-3