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中国科大成功构建超越经典计算机的超冷原子量子模拟器

7月10日,记者从中国科学技术大学获悉,该校潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等学者成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器,以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变,标志着我国在量子计算研究领域的第二阶段中取得里程碑式进展。相关研究成果于当日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。

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费米子哈伯德量子模拟器示意图(来源:中国科大)

据介绍,以高温超导为代表的强关联量子材料,因其科学价值和潜在的巨大经济效益,将极大地推动未来科技的发展。然而,这些新型量子材料背后的物理机制尚不明确,难以实现有效可控的规模化制备和应用。

费米子哈伯德模型是晶格中电子运动规律的最简化模型,被认为是可能描述高温超导材料的代表性模型之一,但因该模型在二维和三维下没有严格解析解,且计算复杂度非常高,即使是超级计算机也无法进行有效的数值模拟,其研究一直面临着巨大挑战。国际学术界为量子计算的发展设定了三个阶段,其中第二个阶段就是实现专用量子模拟机以求解诸如费米子哈伯德模型这一类重要科学问题,这也是当前的主要研究目标。

此次潘建伟院士团队结合前期研究成果,实现了最低温度的均匀费米简并气体制备,满足了实现反铁磁相变所需要的低温,并进一步创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合,实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。

在此基础上,研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度,成功构建出求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器,直接观察到反铁磁相变的确凿证据——自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象,从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。

该工作推进了对费米子哈伯德模型的理解,不仅是理解高温超导机理的有效途径,也是量子计算研究的重大突破。

合报科学+融媒体工作室

合肥通客户端—合报全媒体记者 刘小容

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