我国科学家“解锁”超越经典计算机的超冷原子量子模拟器

来源：环球网

【环球网科技综合报道】7月11日消息，中国科学技术大学（中国科大）在量子计算领域取得了重大突破，潘建伟院士及其研究团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器。这一成果不仅展示了量子模拟器超越经典计算机的能力，还在理解高温超导机理方面迈出了关键一步。



相关研究成果于7月10日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

据悉，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，是描述晶格中电子运动规律的最简化模型，尤其被认为是有希望解释高温超导机理的核心物理模型。然而，该模型在二维和三维下没有严格解析解，且计算复杂度极高，即使是超级计算机也无法进行有效数值模拟。这一直是物理学界面临的重大挑战。

中国科大的研究团队通过构建超冷原子量子模拟器，首次验证了费米子哈伯德模型中的反铁磁相变。反铁磁相变是指当系统温度降低到某一临界温度（奈尔温度）以下时，材料中的电子自旋从无序排列转变为有序交错排列的状态。这一发现为获得费米子哈伯德模型的低温相图、深入理解量子磁性在高温超导机理中的作用奠定了重要基础。

为了实现这一目标，研究团队克服了诸多技术难题。首先，他们建立了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，通过结合机器学习优化技术，研究团队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的低温条件。最后，团队创新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。该体系包含约80万个格点，比目前主流实验的几十个格点规模提高了约4个数量级，且体系具有一致的哈密顿量参数，温度显著低于奈尔温度。

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。这一发现不仅验证了费米子哈伯德模型在掺杂条件下的反铁磁相变，还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。