經(jīng)過(guò)十多年科研攻關(guān)，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)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，朝向獲得該模型低溫相圖、理解高溫超導(dǎo)機(jī)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(jī)的大門。相關(guān)研究成果于7月10日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》發(fā)表。

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)為是有希望解釋高溫超導(dǎo)機(jī)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(jī)制，就能夠規(guī)模化地設(shè)計(jì)、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(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(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)。

中國(guó)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(shí)，材料突然從順磁性狀態(tài)（材料中電子的自旋方向無(wú)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(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)。

研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)多年研究攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)技術(shù)突破，創(chuàng)造性地將盒型光勢(shì)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(wàn)個(gè)格點(diǎn)，比目前主流實(shí)驗(yàn)的幾十個(gè)格點(diǎn)規(guī)模提高了約4個(gè)數(shù)量級(jí)，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)，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。

費(fèi)米子哈伯德量子模擬器示意圖。紅色和藍(lán)色的小球分別代表自旋相反的原子，它們?cè)谌S空間交錯(cuò)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(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”。