我國首次成功構建超越經典計算機的量子模擬器

經過十多年科研攻關，中國科學技術大學潘建偉院士團隊成功構建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經典計算機的模擬能力首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，朝向獲得該模型低温相圖、理解高温超導機理邁出了重要的第一步，也全新打開了構建專用量子模擬機的大門。相關研究成果於7月10日在國際學術期刊《自然》發表。

費米子哈伯德模型是晶格中電子運動規律的最簡化模型，被認為是有希望解釋高温超導機理這一困擾物理學界近四十年難題的核心物理模型。一旦理解其物理機制，就能夠規模化地設計、生產和應用新型的高温超導材料，在電力傳輸、醫學、超算等領域產生變革性影響。

潘建偉院士介紹，量子計算為求解若干經典計算機難以勝任的計算難題提供了全新的方案。國際學術界為量子計算的發展設定了三個階段：

一是對特定問題的計算能力超越經典超級計算機，實現“量子計算優越性”。隨着美國谷歌公司“懸鈴木”以及中國科大“九章”系列、“祖沖之號”系列量子計算原型機的實現，這一階段的目標已達到。

二是實現專用量子模擬機以求解諸如費米子哈伯德模型這一類重要科學問題，這是當前的主要研究目標。

三是在量子糾錯的輔助下實現通用容錯量子計算機。

中國科學技術大學陳宇翱教授介紹，反鐵磁相變指的是當系統温度降低到某一臨界温度以下時，材料突然從順磁性狀態（材料中電子的自旋方向無序排列）轉變為電子自旋有序排列反鐵磁狀態。構建量子模擬器驗證包括摻雜條件下的反鐵磁相變，是實現能夠求解費米子哈伯德模型的專用量子模擬機的第一步，也是獲得該模型低温相圖的重要基礎。

研究團隊經過多年研究攻關，實現了多項技術突破，創造性地將盒型光勢阱和平頂光晶格技術相結合，實現了空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱製備。該體系包含大約80萬個格點，比目前主流實驗的幾十個格點規模提高了約4個數量級，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據，從而首次驗證了費米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。

費米子哈伯德量子模擬器示意圖。紅色和藍色的小球分別代表自旋相反的原子，它們在三維空間交錯排列，形成了反鐵磁晶體。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。

這一科研成果推進了對費米子哈伯德模型的理解，為進一步求解該模型、獲取其低温相圖奠定了基礎，也首次展現了量子模擬在解決經典計算機無法勝任的重要科學問題上的巨大優勢。《自然》雜誌審稿人對該工作給予了高度評價，稱該工作“有望成為現代科技的里程碑和重大突破”；“標誌着該領域向前邁出了重要的一步”。

（總枱央視記者 帥俊全 褚爾嘉）