我國首次成功構(gòu)建超越經(jīng)典計算機的量子模擬器

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)�；�地設(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，這是當前的主要研究目標；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�有序排列反鐵磁狀態(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。

 

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。《自然》雜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）