构建超冷原子量子模拟器：用魔法打败魔法！

“有望成为现代科技的里程碑和重大突破！”“是实验的杰作，是期待已久的成就！”

究竟是怎样的科研成果，能让《自然》期刊的审稿人发出如此的感叹呢？

这项成果来自中国科学技术大学一群杰出的科学家，他们成功研制了一台名为“天元”的量子模拟器。这台量子模拟器之所以引人注目，是因为它能够处理一个长期困扰科学家的复杂问题，那就是模拟“费米子-哈伯德模型”。

“天元”量子模拟器拥有高达80万个光晶格点，这意味着它的模拟能力远远超过了我们日常使用的经典计算机。更令人兴奋的是，它首次实现了对一种被称为“反铁磁相变”的重要物理现象的实验验证，这标志着我们进入了一个全新的量子科学时代。

这项工作的意义远远超出了我们目前的想象。它不仅为科学家们提供了一种全新的工具来探索低温下的特殊物理行为，还帮助我们更深入地理解了高温超导等复杂现象。这不仅为科学研究开辟了新的视野，也为未来的技术创新打下了坚实的基础。

相关研究成果以“三维费米子-哈伯德模型中的反铁磁相变”为题发表于《自然》期刊上（图片来源：参考文献1）

“费米子-哈伯德模型”：简约却不简单的物理模型

你是否曾经好奇，为什么铁能吸引小磁铁，而木头却不行？虽然科学家们对这个问题已经有了一些了解，但磁性的神秘面纱仍然没有完全揭开。

科学家们普遍认为，磁性的秘密藏在材料内部电子的相互作用中。想象一下，电子在原子的舞台上跳着一支复杂的舞蹈，它们的每一个动作都影响着整个队伍的和谐。但在现实世界中，这场舞蹈太过复杂，我们用传统方法难以完全捕捉。

尽管我们知道答案藏在电子的相互作用中，但要揭开这层神秘的面纱，我们需要一把钥匙，这把钥匙似乎被隐藏在复杂的计算之中。

虽然复杂，但我们不能放弃。在电子的奇妙世界里，电子之间的相互作用不仅决定了材料的基本特性，还催生了如高温超导、量子相变等令人惊叹的物理现象。为了探索这些现象，我们引入了“费米子-哈伯德模型”。

1963年，物理学家约翰·哈伯德提出了一个描述电子在晶格中行为的模型，这里的“晶格”是指原子按照一定的规律排列的空间结构。这个模型并不复杂，它只是将电子的行为简化为两种：一种是电子在相邻晶格间的跳跃，另一种是同一晶格点内电子间的排斥力。尽管模型简单，但它能解释许多复杂现象，包括我们对高温超导的理解。

然而，要精确求解这个模型，就像是在没有地图的情况下穿越一片茫茫森林。随着晶格点的增加，计算的难度也会急剧上升，即使是最强大的超级计算机也感到力不从心。

但这并不意味着我们束手无策。早在40多年前，物理学家理查德·费曼提出了一个大胆的想法：为什么不直接用量子系统来模拟这些复杂的量子现象呢？这样，我们就可以绕过那些棘手的数值计算，直接探索量子世界的奥秘。

构建超冷原子量子模拟器：用魔法打败魔法！

科学家们在探索电子行为时，遇到了传统计算方法的局限。为了克服这些难题，他们采纳了理查德·费曼的前瞻性建议，开始构建一种全新的工具——量子模拟器。这个量子模拟器能够精确模拟电子在晶格中的行为，帮助我们更深入地理解“费米子-哈伯德模型”。

在众多人造量子体系中，三维光晶格中的超冷原子因其纯净和可控性而成为模拟的理想选择。想象一下，“三维光晶格”就像是用光编织出的完美空间格架，每个点都是精确控制的节点。“超冷原子”则是通过激光冷却技术几乎静止在这些光晶格中的原子。

构建量子模拟器的过程可以简化为三个步骤：

1）利用三束正交的激光创造出均匀分布的三维光晶格，就像是在空间中画出一个个完美的小盒子，为电子提供“舞台”。

2）将原子冷却到接近绝对零度，并将它们巧妙地安置在光晶格中，准备开始它们的“表演”。

3）观察舞台上的“奇妙物理现象”——反铁磁相变，以验证模型的准确性。

“反铁磁相变”可能听起来复杂，但其实质是：在低温下，材料内部的电子自旋倾向于指向相反方向，形成稳定状态；但当温度上升，这种有序排列会被打破，磁性也会随之改变。

尽管“费米子-哈伯德模型”已经提出多年，但在实验中直接观察到反铁磁相变仍是一大挑战。这需要将量子模拟体系的温度降低到极低，以确保模拟的准确性。

如果能够将量子模拟体系的温度降至特定温度以下，科学家们就能模拟出反铁磁自旋涨落的过程，这不仅验证了高温超导机制理论，也是理解这一现象的关键一步。

量子模拟领域的重大突破

探索磁性的奥秘，就像攀登珠穆朗玛峰一样，每一步都充满了未知和挑战。即便是像“反铁磁相变”这样听起来很专业的概念，在实验中也从未得到过验证。更不用说，在掺杂状态下模拟这种相变，这在传统超级计算机看来几乎是不可能的任务。

然而，中国科学技术大学的潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等科学家们勇敢地迎接了这一挑战。他们巧妙地结合了先进的技术，构建出了一台超冷原子的量子模拟器。

他们所构建的量子模拟器，规模从几十个晶格点跃升到了惊人的80万个晶格点，这是一个质的飞跃。通常，实验中构造的光晶格体系总是存在势阱不均匀的问题，就像是在不平坦的地面上建造房屋。但“盒型光势阱”技术就像是给光晶格体系做了一次“整形手术”，让每个势阱都变得规整，为电子提供了一个完美的舞台。

“平顶光晶格”技术进一步优化了实验过程，通过精细调整激光，它使得光晶格的中心区域更加均匀，就像是在不平整的地面上铺设了一层平整的地毯，为原子提供了一个均匀分布的空间。

在此基础上，研究团队进一步降低了势阱中的强度噪声，并优化了超冷原子的装载过程。这就像是在寒冷的冬日里，为原子们提供了一个温暖而安静的家，确保它们能够在最佳状态下进行实验。

最终，科学家们成功构建出了理想的超冷原子量子模拟器。在这个模拟器中，科学家们能够精确地调控每一个参数，终于观察到了那个期盼已久的现象——反铁磁相变。这不仅仅是对理论的验证，更是对高温超导物理机制探索的一次重要突破。

这项研究不仅在世界上首次成功验证了“费米子-哈伯德模型”的反铁磁相变（包括掺杂状态下的情况），更为我们理解高温超导的物理机制提供了坚实的实验基础。

这项研究如同在科学的长途旅行中点亮了一盏明灯，照亮了我们前行的道路，为我们对自然界深层次理解的探索带来了新的希望和方向。

大步迈入量子2.0的时代

这项突破性的研究成果不仅是科学界的一次辉煌胜利，更标志着量子计算领域迈出了重要一步。它向世界证明了量子系统不只是理论上的奇迹，它们已经展现出了超越传统计算机的能力，能够解决现实世界中的复杂问题。

它为科学家们提供了一个理想的研究平台，使他们能够更深入地探索凝聚态物理中的难题。它像是打开了一扇通往未知世界的大门，让我们得以窥见电子之间强关联相互作用的奥秘。

随着超冷原子量子模拟器性能的不断提升，我们有理由相信，未来它不仅仅会成为验证反铁磁相变的工具，更将成为探索各种奇异物理现象的利器。它将帮助我们揭开高温超导、量子相变等物理现象的神秘面纱，让我们对电子之间的相互作用有更深刻的理解。

这项研究的成功，不仅仅是对现有科学理论的一次验证，更是对未来科学探索的一次大胆预言。它预示着量子计算将在未来扮演更加重要的角色，成为解决科学难题、推动技术进步的关键力量，让我们感受到了量子世界的无限可能。

参考文献

[1] Shao H J, Wang Y X, Zhu D Z, et al. Antiferromagnetic phase transition in a 3D fermionic Hubbard model[J]. Nature, 2024: 1-6.

[2] Gaunt A L, Schmidutz T F, Gotlibovych I, et al. Bose-Einstein condensation of atoms in a uniform potential[J]. Physical review letters, 2013, 110(20): 200406.

出品：科普中国

作者：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览