我國量子計算研究取得重大進展。中國科學技術大學潘建偉院士團隊近日成功構建了求解一種特定科學模型的量子模擬器，首次觀測到該體系中的特殊現象——反鐵磁相變，實現了超越經典計算機的模擬能力，為理解高溫超導機理奠定了重要基礎。這一研究成果于7月10日在國際學術期刊《自然》上發表。

超冷原子量子模擬器
擁有超越經典計算機的模擬能力

在中國科學院量子創新研究院的實驗室里，可以看到一臺涉及激光、真空、電子學等不同門類的數千個器件組成的裝置，它就是科研團隊最新成功構建的超冷原子量子模擬器。它對于求解某一特定科學問題的計算能力已經遠遠超出了經典計算機。
量子模擬，就是利用人造可控的量子系統，在量子的微觀世界里模擬一些經典情況下很難計算或者實現的情況。在本次研究中，中國科學技術大學科研團隊在實驗室里搭建了一個超冷原子量子模擬器，并且成功利用這個量子模擬器，實現了有望描述高溫超導機理的一種重要理論模型預言的反鐵磁狀態。

據介紹，費米子哈伯德模型被認為是有希望解釋高溫超導機理這一困擾物理學界近四十年難題的核心物理模型。一旦理解了它的物理機制，就能夠規模化地設計、生產和應用新型的高溫超導材料，在電力傳輸、醫學、超算等領域產生變革性影響。

可操控80萬個格點
提升4個數量級

目前國際上主流的求解費米子哈伯德模型的量子模擬實驗只能同時操控幾十個原子，中國科學技術大學科研團隊最新構建的量子模擬器能夠同時操控大約80萬個格點，提升了4個數量級，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據，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。

△費米子哈伯德量子模擬器示意圖。紅色和藍色的小球分別代表自旋相反的原子，它們在三維空間交錯排列，形成了反鐵磁晶體。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。
**中國科學院院士 中國科學技術大學教授 常務副校長 潘建偉：**從某種意義上講，我們最近的成果相當于實現了量子計算領域里第二步的重要的一步，我們把大門給打開了，終于證實了可以構建某類特殊的量子模擬機，來做某些在科學上有重要意義的事情，傳統計算機本身是沒辦法解決的，用了我們的量子模擬機之后就可以解決，按照同行的評價，這是在走向量子模擬機里面的一個非常重要的里程碑性的工作。

攻關十余載
開啟構建專用量子模擬機大門

經過十多年的持續攻關，科研團隊終于成功構建超越經典計算機的量子模擬器，也打開了構建專用量子模擬機的大門。這扇全新大門的開啟究竟有多難？又有怎樣的意義呢？來看專家的解讀。
潘建偉介紹，構建純凈的費米子哈伯德量子模擬器主要有三大難點：

  • 首先是要將系統降低到足夠低的溫度，只有降低到足夠低的溫度，才能去研究高溫超導等物理狀態。
  • 另一個難點是要實現足夠大且均勻的體系，因為非均勻性會導致系統內多種狀態共存，從而干擾想要研究的對象狀態。
  • 最后，是需要發展新型的測量手段，對量子模擬器實現的狀態進行精確測量和表征。

延伸小知識

神奇的量子
眾所周知，世間萬物包括我們人類自身都是由微觀粒子組成的，這是一個被稱為“量子世界”的神秘地帶，它遵循著讓人匪夷所思的一套“另類法則”。那么，**量子究竟是什么？又有哪些特性呢？**下面就通過一個短片走進神奇的量子世界。

  • 神奇的量子有兩個怪癖：不可分割、不可克隆。利用量子的這兩個怪癖，可以制作出最安全的保密鑰匙，讓我們的信息傳輸變得更安全。
  • 它還有兩個堪稱神奇的絕技，就是分身術和遠程心靈感應。最強悍的量子計算機和最安全的量子通信，關鍵靠的就是這兩個絕技。
  • 量子的分身術也叫**“**量子疊加”，就是一個量子可以同時存在好幾種狀態。如果分解一個300位的大數，用現在的計算機需要15萬年，用量子的分身術并行運算，只要1秒鐘就可以算出來。

構建專用量子模擬機 搶占科技制高點

如果把經典計算比作自行車，量子計算與量子模擬就像飛機。量子計算與量子模擬國內外發展現狀如何？新的大門開啟之后，科研團隊將如何構建專用量子模擬機、搶占科技制高點？繼續來看專家解讀↓↓

據介紹，目前全球數十家科研團隊都在開展利用量子模擬求解各種科學模型的科研攻關。中國科學技術大學科研團隊此次構建的量子模擬器，在國際上首次展現了超冷原子量子模擬擁有超越經典計算機的能力，也為構建能夠求解費米子哈伯德模型的專用量子模擬機奠定了堅實的基礎。

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來源: 福建科普