中國科學技術(shù)大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人，成功構(gòu)建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，朝著“獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用”邁出了重要的第一步。這標志著我國在量子計算研究領(lǐng)域的第二階段中取得里程碑式進展。研究成果于7月10日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《自然》雜志。

由于具備科學價值和潛在的經(jīng)濟效益，以高溫超導為代表的強關(guān)聯(lián)量子材料，有望推動未來科技的發(fā)展。然而，這些新型量子材料背后的物理機制尚不明確，難以實現(xiàn)有效可控的規(guī)?；苽浜蛻?yīng)用。費米子哈伯德模型由英國物理學家約翰·哈伯德于1963年提出，被認為是有希望解釋高溫超導機理這一困擾物理學界近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有嚴格解析解；另一方面，計算復雜度非常高，即使是超級計算機也無法進行有效的數(shù)值模擬。

中國科大物理學院執(zhí)行院長、教授陳宇翱介紹，在該研究中，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)。

為驗證反鐵磁相變，超冷原子量子模擬器必須滿足兩個關(guān)鍵條件：首先，需要建立空間強度分布均勻的光晶格系統(tǒng)，確保費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，以往實驗中光晶格強度的非均勻性和費米原子制冷存在的困難，使得上述兩個關(guān)鍵條件一直無法得到滿足。

團隊姚星燦教授說，為解決這些難題，團隊在前期研究基礎(chǔ)上，進一步降低盒型光勢阱的強度噪聲，并結(jié)合機器學習優(yōu)化技術(shù)實現(xiàn)了最低溫度的均勻費米簡并氣體制備，滿足了實現(xiàn)反鐵磁相變所需要的低溫。進一步，研究團隊創(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。

在此基礎(chǔ)上，研究團隊通過精確調(diào)控相互作用強度、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)因子在相變點附近呈現(xiàn)冪律的臨界發(fā)散現(xiàn)象，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。

該工作始于2011年，歷經(jīng)13年探索，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”。

來源：中國青年報