我国科学家首次实现超越经典计算机的超冷原子量子模拟器

探明高温超导的机理，进而研制出性能强大的新材料，是现代物理学的重大课题。近期，中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，朝着获得该模型低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中作用迈出重要一步。国际学术期刊《自然》7月10日发表了该成果。

超导，指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象。电阻为零的超导体，在电力输运、信息技术、生物医药、交通运输等领域存在巨大应用价值。但是，以高温超导为代表的新材料，其深层次机理尚未阐明，难以规模化生产和应用。

物理学家约翰·哈伯德提出的费米子哈伯德模型，是描述高温超导材料的代表性物理模型之一。但它的求解难度极高，即使是超级计算机也难以进行有效数值模拟。

量子计算提供了新解决方案。“从微观层面看，世界上绝大部分材料都由原子或分子排列形成的晶格结构组成，而材料的性质主要由晶格中的电子的运动方式决定。”中科大教授姚星灿说，因此基于光晶格中的超冷原子体系构建量子模拟器，对费米子哈伯德模型进行模拟和求解，不仅是理解高温超导机理的有效途径，也是量子计算研究的重大突破。

近期，中科大潘建伟团队在前期实现盒型光势阱中的均匀费米超流的基础上，结合机器学习优化技术实现最低温度的均匀费米简并气体制备，进一步创新方法实现空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。在此基础上通过精确调控，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。

费米子哈伯德量子模拟器示意图。

这项研究为进一步求解费米子哈伯德模型，获取其低温相图以及更深入地理解高温超导机理奠定基础，也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。

来源：新华社