我國科學(xué)家首次實(shí)現超越經(jīng)典計算機的超冷原子量子模擬器

新華社合肥7月10日電 探明高溫超導的機理，進(jìn)而研制出性能強大的新材料，是現代物理學(xué)的重大課題。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(jīng)典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝著(zhù)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(xué)術(shù)期刊《自然》7月10日發(fā)表了該成果。

超導，指材料在低于某一溫度時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F象。電阻為零的超導體，在電力輸運、信息技術(shù)、生物醫藥、交通運輸等領(lǐng)域存在巨大應用價(jià)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?；a(chǎn)和應用。

物理學(xué)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，即使是超級計算機也難以進(jìn)行有效數值模擬。

量子計算提供了新解決方案。“從微觀(guān)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(zhì)主要由晶格中的電子的運動(dòng)方式?jīng)Q定。”中科大教授姚星燦說(shuō)，因此基于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(jìn)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(shí)現盒型光勢阱中的均勻費米超流的基礎上，結合機器學(xué)習優(yōu)化技術(shù)實(shí)現最低溫度的均勻費米簡(jiǎn)并氣體制備，進(jìn)一步創(chuàng )新方法實(shí)現空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱制備。在此基礎上通過(guò)精確調控，直接觀(guān)察到了反鐵磁相變的確鑿證據——自旋結構因子在相變點(diǎn)附近呈現冪律的臨界發(fā)散現象。

這項研究為進(jìn)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(jīng)典計算機無(wú)法勝任的重要科學(xué)問(wèn)題上的巨大優(yōu)勢。

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