量子计算新突破！中国科大首次实现超越经典计算机的费米子哈伯德模型量子模拟器

费米子哈伯德量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。（制图：陈磊）

7月10日深夜，在国际顶尖学术期刊《自然》上线的一篇论文：中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子专用量子模拟器，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。

这篇论文展示了量子模拟器超越经典计算机的能力，也成为我国在量子计算研究的第二个阶段中取得的里程碑进展。《自然》杂志审稿人评价该工作"有望成为现代科技的里程碑和重大突破"。

众所周知，国际学术界为量子计算的发展设定了三个阶段。

第一阶段是对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，实现"量子计算优越性"。随着美国谷歌公司"悬铃木"，以及中国科大"九章"系列、"祖冲之号"系列量子计算原型机的实现，这一阶段已经达到。

第二阶段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，此次论文就是国际上在该阶段研究中所取得的里程碑式成果。论文主要完成人之一、中国科大教授姚星灿介绍，"早在2005年，国际上就开始了费米子哈伯德模型的量子模拟研究，直到现在才真正实现了反铁磁相变"。

电子是一种费米子，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。"如果把电子比喻成鸡蛋，那么晶格就好像放置鸡蛋的槽格。"姚星灿解释，光晶格中的超冷原子是最有希望构建专用量子模拟机以求解费米子哈伯德模型的体系之一。

反铁磁相变是指当系统温度降低到某一临界温度以下时，材料中的电子自旋方向突然从无序排列的顺磁性状态，转变为电子自旋有序排列的反铁磁状态。这就要求量子模拟机满足两个关键条件：一是光晶格系统的空间强度分布均匀，二是温度足够低。

"以往近20年的研究，都极难同时满足这两个条件。"姚星灿介绍，中国科大团队用了十多年时间，终于构建起了满足反铁磁相变出现的量子模拟实验条件——该体系包含约80万个格点，比目前主流实验的几十个格点规模提高了上万倍，且温度显著低于所需临界温度。在此基础上，研究团队直接观察到了反铁磁相变的确凿证据。

近40年来，高温超导机理一直困扰着物理学界。科学界普遍认为，费米子哈伯德模型是有望对其作出解释的核心物理模型。然而，在某些参数条件下，经典超级计算机已无法对该模型进行准确数值模拟。要解决这一难题，就需借助量子模拟优势。

此次工作推进了对费米子哈伯德模型的理解，为进一步求解该模型奠定了基础，也首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。姚星灿强调，现在的量子模拟器还不能完全胜任求解哈伯德模型的任务，"未来，我们要发展更强大的量子模拟机，以求完全解决这一科学问题"。只有到那时，才能对高温超导机理的破解产生实质性推动作用。

尽管量子计算发展的第三阶段是在量子纠错的辅助下实现通用容错量子计算机。但值得指出的是，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。

　　作者：许琦敏

文：许琦敏 图：陈磊/制图 编辑：许琦敏 责任编辑：任荃

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