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我國(guó)科學(xué)家成功構(gòu)建超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的超冷原子量子模擬器

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,，朝著“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。這標(biāo)志著我國(guó)在量子計(jì)算研究領(lǐng)域的第二階段中取得里程碑式進(jìn)展,。研究成果于7月10日在線(xiàn)發(fā)表于國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》雜志,。

　　由于具備科學(xué)價(jià)值和潛在的經(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,，有望推動(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)?；苽浜蛻?yīng)用。費(fèi)米子哈伯德模型由英國(guó)物理學(xué)家約翰·哈伯德于1963年提出,，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40年難題的核心物理模型,，但其研究面臨巨大挑戰(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,。

　　中國(guó)科大物理學(xué)院執(zhí)行院長(zhǎng),、教授陳宇翱介紹，在該研究中,，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(zhuān)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),。

　　為驗(yàn)證反鐵磁相變,，超冷原子量子模擬器必須滿(mǎn)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(gè)關(guān)鍵條件一直無(wú)法得到滿(mǎn)足,。

　　團(tuán)隊(duì)姚星燦教授說(shuō),，為解決這些難題，團(tuán)隊(duì)在前期研究基礎(chǔ)上,，進(jìn)一步降低盒型光勢(shì)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(jiǎn)并氣體制備，滿(mǎn)足了實(shí)現(xiàn)反鐵磁相變所需要的低溫,。進(jìn)一步，研究團(tuán)隊(duì)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,。

　　在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)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,。

　　該工作始于2011年,，歷經(jīng)13年探索，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),?！蹲匀弧冯s志審稿人對(duì)該工作給予了高度評(píng)價(jià)，稱(chēng)該工作“有望成為現(xiàn)代科技的里程碑和重大突破”,。（記者王海涵王磊）