（記者丁一鳴、常河）日前，中國(guó)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(gòu)建了求解費(fèi)米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，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，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。相關(guān)研究成果于7月10日在線發(fā)表在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上。

由于其科學(xué)價(jià)值和潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益，以高溫超導(dǎo)為代表的強(qiáng)關(guān)聯(lián)量子材料將極大地推動(dòng)未來(lái)科技的發(fā)展。然而，這些新型量子材料背后的物理機(jī)制尚不明確，難以實(shí)現(xiàn)有效可控的規(guī)模化制備和應(yīng)用。費(fèi)米子哈伯德模型是晶格中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的最簡(jiǎn)化模型，被認(rèn)為是可能描述高溫超導(dǎo)材料的代表性模型之一，但其研究一直面臨著巨大挑戰(zhàn)：一方面，該模型在二維和三維下沒(méi)有嚴(yán)格解析解；另一方面，計(jì)算復(fù)雜度非常高，即使是超級(jí)計(jì)算機(jī)也無(wú)法進(jìn)行有效的數(shù)值模擬。

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)算難題提供了全新的方案。國(guó)際學(xué)術(shù)界為量子計(jì)算的發(fā)展設(shè)定了三個(gè)階段：一是對(duì)特定問(wèn)題的計(jì)算能力超越經(jīng)典超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)“量子計(jì)算優(yōu)越性”。隨著美國(guó)谷歌公司“懸鈴木”以及中國(guó)科大“九章”系列、“祖沖之號(hào)”系列量子計(jì)算原型機(jī)的實(shí)現(xiàn)，這一階段目標(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(wèn)題，這是當(dāng)前的主要研究目標(biāo)；三是在量子糾錯(cuò)的輔助下實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算機(jī)。值得指出的是，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)，不僅是理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的有效途徑，也是量子計(jì)算研究的重大突破。

對(duì)于整個(gè)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(wú)摻雜（即每個(gè)格點(diǎn)填充一個(gè)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)已經(jīng)無(wú)法通過(guò)經(jīng)典超級(jí)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)控等諸多優(yōu)勢(shì)，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(gè)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），這樣反鐵磁相變才可能出現(xiàn)。

研究團(tuán)隊(duì)克服以往實(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，通過(guò)精確調(diào)控相互作用強(qiáng)度、溫度和摻雜濃度，直接觀察到了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)了對(duì)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)，也首次展現(xiàn)了量子模擬在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的重要科學(xué)問(wèn)題上的巨大優(yōu)勢(shì)。《自然》雜志審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)，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”。