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中国首次实现超越经典计算机的量子模拟器,有望推动高温超导研究

7月10日,国际学术期刊《自然》杂志发表中国重磅研究成果,中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金团队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,向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出重要的第一步。

中国科学技术大学陈宇翱教授对第一财经记者表示:“这项研究发现不仅具有重要的科学价值,也有巨大的潜在经济效益,未来将推动以高温超导为代表的强关联量子材料的机理研究。”

费米子哈伯德模型由英国物理学家约翰·哈伯德于1963年提出,是描述晶格中电子运动规律的最简化模型,也被认为是可能描述高温超导材料的代表性模型之一。但由于其计算复杂度非常高,目前的超级计算机无法进行有效的数值模拟;且理论研究表明,即使采用通用量子计算机也难以准确求解费米子哈伯德模型。因此,构建可以求解该模型的量子模拟机,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。

“量子模拟指的是用一个人造的、精确可控的量子系统,来模拟其它复杂的量子系统。量子模拟主要用于解决经典计算无能为力的重要科学问题,例如高温超导材料背后的物理机制,只有理解了机制,我们才能够规模化设计、生产和应用这些新型的材料。”中国科学技术大学姚星灿教授对第一财经记者表示。

高温超导材料是近年来科学界关注的热门研究领域,有望在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。但目前对于高温超导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。全球的科学家都在为之努力。而中国此次的研究成果,意味着我国在使用超冷原子专用量子模拟研究高温超导机理方面处于全球领先水平。

在中国科大潘建伟院士的带领下,我国已经构建了“九章”系列、“祖冲之号”系列量子计算原型机,实现了“量子优越性”里程碑,量子技术发展的下一个重要里程碑是实现专用量子模拟机,在这一过程中,以求解诸如费米子哈伯德模型这一类重要科学问题,是当前的主要研究目标。因此,最新的研究成果也标志着我国正式进入量子计算研究的第二个里程碑阶段。

陈宇翱对第一财经记者表示,此次成果历时十余年攻关,但仅仅是取得了费米子哈伯德模型第一阶段研究的突破,也就是验证了反铁磁相变。未来在这一平台上,团队还有两个阶段的研究计划,下一个阶段是在三维光晶格中实现费米子单带超流,该研究难度更大,并且理论预言缺乏一致性,通过对它的研究能够帮助我们理解晶格中的电子是如何配对以及凝聚为超导的;最后一个阶段是通过量子态的绝热演化技术实现对反铁磁态的掺杂,在类似高温超导材料的参数条件下,研究量子磁性在高温超导机理中的作用。这一阶段的研究难度最大,未知程度最高。

潘建伟曾表示,量子信息各研究领域都存在一些最需要突破的关键点,“十四五”期间的重点任务是构建完整的天地一体广域量子通信网络技术体系,并力争造出真正“有用”的专用量子模拟机,为实现通用量子计算机奠定基础。

目前,量子技术已经成为大国竞争的重要战略领域,面对未来激烈的竞争,潘建伟表示:“我希望结合国家实验室建设,集中全国力量去攻克量子计算机,突破国外的封锁。”

他保守预测,我国用5至10年时间,能够造出几台解决材料设计、化学研究、物理研究等需求的专用量子计算机。

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