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我國首次成功構(gòu)建超越經(jīng)典計算機的量子模擬器
經(jīng)過十多年科研攻關(guān)，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團隊成功構(gòu)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(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，朝向獲得該模型低溫相圖、理解高溫超導(dǎo)機理邁出了重要的第一步，也全新打開了構(gòu)建專用量子模擬機的大門。相關(guān)研究成果于7月10日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。
費米子哈伯德模型是晶格中電子運動規(guī)律的最簡化模型，被認為是有希望解釋高溫超導(dǎo)機理這一困擾物理學(xué)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(guī)?；卦O(shè)計、生產(chǎn)和應(yīng)用新型的高溫超導(dǎo)材料，在電力傳輸、醫(yī)學(xué)、超算等領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。
潘建偉院士介紹，量子計算為求解若干經(jīng)典計算機難以勝任的計算難題提供了全新的方案。國際學(xué)術(shù)界為量子計算的發(fā)展設(shè)定了三個階段：
一是對特定問題的計算能力超越經(jīng)典超級計算機，實現(xiàn)“量子計算優(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”系列量子計算原型機的實現(xiàn)，這一階段的目標(biāo)已達到。
二是實現(xiàn)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(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現(xiàn)通用容錯量子計算機。
中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳宇翱教授介紹，反鐵磁相變指的是當(dāng)系統(tǒng)溫度降低到某一臨界溫度以下時，材料突然從順磁性狀態(tài)（材料中電子的自旋方向無序排列）轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮幼孕行蚺帕蟹磋F磁狀態(tài)。構(gòu)建量子模擬器驗證包括摻雜條件下的反鐵磁相變，是實現(xiàn)能夠求解費米子哈伯德模型的專用量子模擬機的第一步，也是獲得該模型低溫相圖的重要基礎(chǔ)。
研究團隊經(jīng)過多年研究攻關(guān)，實現(xiàn)了多項技術(shù)突破，創(chuàng)造性地將盒型光勢阱和平頂光晶格技術(shù)相結(jié)合，實現(xiàn)了空間均勻的費米子哈伯德體系的絕熱制備。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(guī)模提高了約4個數(shù)量級，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)，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)典計算機無法勝任的重要科學(xué)問題上的巨大優(yōu)勢?！蹲匀弧冯s志審稿人對該工作給予了高度評價，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”。
（總臺央視記者 帥俊全 褚爾嘉）
- 原標(biāo)題：我國首次成功構(gòu)建超越經(jīng)典計算機的量子模擬器
- 責(zé)任編輯: 房佶宜
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