科學(xué)翻譯官：天元量子模擬器

中國“天元”量子模擬器率先取得量子計(jì)算第二階段重要進(jìn)展。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人構(gòu)建了求解費(fèi)米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器“天元”，以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力首次驗(yàn)證了該體系中的反鐵磁相變，朝向獲得費(fèi)米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導(dǎo)機(jī)理中的作用邁出了重要的第一步。

可視科學(xué)團(tuán)隊(duì)為這一科研成果制作了量子模擬實(shí)驗(yàn)過程的動畫演示。這是量子模擬的一個重大進(jìn)展。量子模擬指的是，用一個量子體系模擬另一個量子體系。

模擬的理念應(yīng)該是比較容易理解的。一個典型例子就是風(fēng)洞。造一架飛機(jī)在空氣中飛，是比較困難的，但造一個風(fēng)洞，讓氣流吹過一個固定的飛機(jī)模型，是比較容易的。空氣不動飛機(jī)動，跟飛機(jī)不動空氣動，在數(shù)學(xué)上是等價的。這樣就可以極大地節(jié)約成本和時間，做到原來做不到的事。類似的，量子模擬就是造一個量子體系，用它來模擬跟它在數(shù)學(xué)上等價的另一個量子體系。

量子計(jì)算為求解若干經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以勝任的計(jì)算難題提供了全新方案。國際學(xué)術(shù)界為量子計(jì)算的發(fā)展設(shè)定了三個階段。一是對特定問題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。隨著美國谷歌公司“懸鈴木”以及中國科大“九章”系列、“祖沖之號”系列量子計(jì)算原型機(jī)的實(shí)現(xiàn)，這一階段的目標(biāo)已達(dá)到。二是實(shí)現(xiàn)專用量子模擬機(jī)以求解諸如費(fèi)米子哈伯德模型這一類重要科學(xué)問題，這是當(dāng)前的主要研究目標(biāo)。三是在量子糾錯的輔助下實(shí)現(xiàn)通用容錯量子計(jì)算機(jī)。值得注意的是，理論研究表明，即使采用通用量子計(jì)算機(jī)也難以準(zhǔn)確求解費(fèi)米子哈伯德模型。因此，構(gòu)建可以求解該模型的量子模擬機(jī)，不僅是探究高溫超導(dǎo)機(jī)理的有效途徑，而且是量子計(jì)算研究的重大突破。

對于整個設(shè)想中的費(fèi)米子哈伯德模型低溫相圖，理論上僅能夠明確無摻雜（即每個格點(diǎn)填充一個電子，又稱半滿）條件下系統(tǒng)的低溫狀態(tài)是反鐵磁態(tài)。然而，由于系統(tǒng)的復(fù)雜性，不僅反鐵磁態(tài)從未得以實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，而且摻雜條件下的系統(tǒng)狀態(tài)已無法通過經(jīng)典超級計(jì)算機(jī)進(jìn)行準(zhǔn)確數(shù)值模擬。因此，構(gòu)建量子模擬器驗(yàn)證包括摻雜條件下的反鐵磁相變，是實(shí)現(xiàn)能夠求解費(fèi)米子哈伯德模型的專用量子模擬機(jī)的第一步，也是獲得該模型低溫相圖的重要基礎(chǔ)。

光晶格中的超冷原子具有系統(tǒng)純凈、原子間相互作用強(qiáng)度、隧穿速率及摻雜濃度可精確調(diào)控等優(yōu)勢，是最有希望構(gòu)建專用量子模擬機(jī)以求解費(fèi)米子哈伯德模型的體系之一。為了驗(yàn)證反鐵磁相變，超冷原子量子模擬器必須滿足兩個關(guān)鍵條件：首先，需要建立空間強(qiáng)度分布均勻的光晶格系統(tǒng)，確保費(fèi)米子哈伯德模型的參數(shù)在大尺度上保持一致；其次，系統(tǒng)溫度必須顯著低于奈爾溫度（即反鐵磁相變溫度），這樣反鐵磁相才可能出現(xiàn)。然而，以往實(shí)驗(yàn)中光晶格強(qiáng)度的非均勻性和費(fèi)米原子制冷存在的困難，使得上述兩個關(guān)鍵條件無法得到滿足。因此，反鐵磁相變一直無法實(shí)現(xiàn)。

為了解決這些難題，該團(tuán)隊(duì)在前期實(shí)現(xiàn)盒型光勢阱中的均勻費(fèi)米超流的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步降低了盒型光勢阱的強(qiáng)度噪聲，并結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了最低溫度的均勻費(fèi)米簡并氣體制備，滿足了實(shí)現(xiàn)反鐵磁相變所需要的低溫。進(jìn)一步，該團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造性地將盒型光勢阱和平頂光晶格技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了空間均勻的費(fèi)米子哈伯德體系的絕熱制備。該體系包含大約80萬個格點(diǎn)，比目前主流實(shí)驗(yàn)的幾十個格點(diǎn)規(guī)模提高了約4個數(shù)量級，且體系具有一致的哈密頓量參數(shù)，溫度顯著低于奈爾溫度。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)通過精確調(diào)控相互作用強(qiáng)度、溫度和摻雜濃度，直接觀察到反鐵磁相變的確鑿證據(jù)——自旋結(jié)構(gòu)因子在相變點(diǎn)附近呈現(xiàn)冪律的臨界發(fā)散現(xiàn)象，從而首次驗(yàn)證了費(fèi)米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。

該工作推進(jìn)了科學(xué)家對費(fèi)米子哈伯德模型的理解，為進(jìn)一步求解該模型、獲取其低溫相圖奠定了基礎(chǔ)，首次展現(xiàn)了量子模擬在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的重要科學(xué)問題上的巨大優(yōu)勢?！蹲匀弧冯s志審稿人對這一成果給予了高度評價，稱該工作“有望成為現(xiàn)代科技的里程碑和重大突破”，“標(biāo)志著該領(lǐng)域向前邁出了重要的一步”，“是實(shí)驗(yàn)的杰作，是期待已久的成就”。

研究工作得到國家自然科學(xué)基金委員會、科學(xué)技術(shù)部、中國科學(xué)院、上海市、安徽省等的支持。

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