我國科學家首次實現超越經典電腦的超冷原子量子模擬器

 探明高溫超導的機理，進而研製出性能強大的新材料，是現代物理學的重大課題。近期，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，以超越經典電腦的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝著獲得該模型低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中作用邁出重要一步。國際學術期刊《自然》7月10日發表了該成果。

超導，指材料在低於某一溫度時，電阻變為零的現象。電阻為零的超導體，在電力輸運、資訊技術、生物醫藥、交通運輸等領域存在巨大應用價值。但是，以高溫超導為代表的新材料，其深層次機理尚未闡明，難以規模化生産和應用。

物理學家約翰·哈伯德提出的費米子哈伯德模型，是描述高溫超導材料的代表性物理模型之一。但它的求解難度極高，即使是超級電腦也難以進行有效數值模擬。

量子計算提供了新解決方案。“從微觀層面看，世界上絕大部分材料都由原子或分子排列形成的晶格結構組成，而材料的性質主要由晶格中的電子的運動方式決定。”中科大教授姚星燦説，因此基於光晶格中的超冷原子體系構建量子模擬器，對費米子哈伯德模型進行模擬和求解，不僅是理解高溫超導機理的有效途徑，也是量子計算研究的重大突破。

近期，中科大潘建偉團隊在前期實現盒型光勢阱中的均勻費米超流的基礎上，結合機器學習優化技術實現最低溫度的均勻費米簡並氣體製備，進一步創新方法實現空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱製備。在此基礎上通過精確調控，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。

這項研究為進一步求解費米子哈伯德模型，獲取其低溫相圖以及更深入地理解高溫超導機理奠定基礎，也首次展現了量子模擬在解決經典電腦無法勝任的重要科學問題上的巨大優勢。（記者徐海濤、戴威、賈稀荃）