超冷原子量子模拟助力新材料研发

|作者：彭鹏1　智文静1　孟增明2, †
(1 山西大学科学技术史研究所）

(2 山西大学光电研究所 光量子技术与器件全国重点实验室)

本文选自《物理》2026年第2期

摘要量子模拟作为一种“自下而上”的新兴研究范式，突破了当前材料学研究面临的复杂程度高、调控难度大等困境，有效助力了新材料的创新性研究。文章介绍了量子模拟利用超冷原子等系统，结合光晶格、人造规范场、拉曼耦合等多种技术手段，对高温超导、拓扑绝缘和拓扑超导等重要物态进行模拟，有效助力了超导材料、拓扑材料、二维材料等一系列功能化材料的研发。

关键词凝聚态物理学，超冷原子，量子模拟，新材料设计，人造规范场

01

引 言

新材料研发作为推动时代发展的主要驱动力之一，承担着助力社会技术进步的重要角色，材料科学领域涌现出的各种创新成果，为各行各业带来前所未有的变革和发展机遇。当前我们置身于材料科学革命的前沿，复杂的功能性材料成为创新发展的新动力。固态材料因其天然复杂性，在传统研究中一般采用“自上而下”、“由繁到简”的研究思路，利用真实或接近真实的材料体系，通过特殊制备或外部调节手段，将复杂体系中的某些参数向理想区域推进，力图简化体系或最大化某些量子效应。多年来人们根据该思路已发展出多种指向实际应用与真实材料行为的理论和计算方法，固体材料体系也在局域调控与器件集成方面取得了显著进展。但此类方法实验要求高、计算难度大、调控自由度难以做到完全独立，对复杂系统的研究仍具有挑战性[1，2]。近年来，采用“自下而上”的逆向研究思路寻找先进材料成为材料科学的一个重要研究领域，其本质是根据材料预期的性能特性来构建一个优化空间，进而形成材料性能与结构之间的复杂、非线性对应关系，同时遵循基本物理规律和材料的可实现性。而量子模拟正是采用“自下而上”的技术路线，打破传统材料科学研究范式，在自旋轨道耦合效应、反常量子霍尔效应、哈伯德物理等领域的研究中取得突出进展，为包括拓扑材料、超导材料、磁性材料、二维材料等众多新型材料研究开辟了新的途径。

02

量子模拟：突破新材料研究的困境

当前，对于新材料的研发存在两大困境：其一，固态材料的内部属性完全由材料本身刚性结构所决定，无法灵活调控；其二，一些新奇的效应并不会出现在单粒子水平，而是由粒子的集体行为所产生。美国著名凝聚态物理学家安德森在其文章《多者异也》(More is different)中描述道：“大量基本粒子聚集的复杂集合体的行为，不能通过简单地推断少数粒子的性质来理解。相反，在每一个复杂层次上都将出现全新属性，而对这些新行为的研究，我认为在本质上和其他研究一样重要[3]。”因此，对于新材料的研究不能仅局限于对其基本组成部分独立状态的研究，还要考虑它们之间的相互作用。另外，随着粒子数目的增加，系统状态的复杂程度会呈指数增长，这将导致如果用经典计算机进行精确模拟，会耗时巨大，对于经典计算来说是无解的。

费曼在1982年曾提出过一种摆脱这一困境的方法：如果能构建一个控制良好的量子多体系统，就可以用它来模拟其他量子多体系统，而这些系统在传统实验或计算框架下往往难以直接研究[4]。利用传统计算方法进行量子体系模拟时，第一步需要“教会”计算机如何计算量子力学，但如果使用一个真实的量子系统作为模拟器，因其本身便遵循量子力学规律，无需“教授”量子力学，从而可以实现以天然的方式对目标系统的高效模拟。在这一思想指导下，量子模拟逐渐发展出多条不同的实现路径。其中一种重要方式是数字量子模拟，即在通用量子计算机框架下，将目标系统的哈密顿量或时间演化过程映射为一系列可编程的量子逻辑操作，通过量子比特和量子门序列近似实现体系的动力学或基态性质。因此，数字量子模拟的优势在于通用性和可编程性，但目前仍受限于量子比特规模、噪声和纠错能力。

近年来，量子计算机研究飞速发展，科学家已经在实验上证实了量子计算机的优越性[5]。2023年，中国科学技术大学研发的255光子“九章三号”量子优越性超越经典超算16个数量级[6]，2025年最新构建的“祖冲之三号”在处理量子随机线路采样问题的速度比目前最快的超级计算机快15个数量级，再次打破了超导体系量子优越性记录[7]。然而，现阶段的量子计算机只能实现对于复杂计算任务的检验，还难以解决一些具有实用价值的难题，量子计算机的发展整体上仍处于理论验证和实验探索的初级阶段，对于通用量子计算机的追求仍然是一个长期的目标。

另一个重要方法是类比量子模拟。它是指通过构建一个受控的量子物理平台，使其哈密顿量形式或相互作用结构与目标系统尽可能对应，让体系在内禀相互作用和外加控制场作用下自然演化，并通过对实验体系的测量来研究目标模型的物理行为。苏黎世联邦理工学院的Tilman Esslinger曾将类比量子模拟定义为“一种能够重现实验上精确定义哈密顿量的量子系统”[8]。类比量子模拟一方面使得在实验室中探索某些难以直接实现的物理过程成为可能，例如类引力体系中的霍金辐射模拟[9]；另一方面，也为研究经典计算难以处理的复杂多体动力学行为提供了新的实验平台，如费米子系统中的非平衡多体局域化现象等[10]。近年来，研究人员也开始探索将数字量子模拟与类比量子模拟相结合的混合型量子模拟方案，试图在保持类比模拟多体可扩展性的同时，引入数字化控制手段，以提升体系的灵活性和可调性[11]。

超冷原子系统利用激光冷却和磁光阱等技术手段，将原子冷却至接近绝对零度，进而成为可调节的宏观量子系统。这一“自下而上”研究范式从基础物理原理出发，利用模型近似理想的简洁体系，通过调节自旋自由度、改变相互作用强度、引入非均匀势场等手段构建量子多体系统，并逐步拓展至多自由度操控以提升系统复杂性，力图模拟固态材料中的复杂相互作用机制或行为，助力基础理论验证与机理研究，为新型量子功能材料的研发合成开辟了新的路径。

进行量子模拟的关键在于如何精准控制粒子间相互作用，超冷原子体系与凝聚态材料相比具有完全不同的能量尺度。例如，固体中电子的能隙和相互作用通常在meV—eV范围，而光晶格中原子的能带与相互作用仅在kHz(10-12 eV)量级，两者相差9—12个数量级。能标的巨大差异使得超冷原子体系的量子动力学被显著“放慢”，从而可以在实验中对量子态演化过程进行逐步控制和实时探测，这是凝聚态体系中难以实现的。此外，冷原子的温度可达nK，远低于固体进入量子简并或强关联区所需的能量尺度，使得在研究部分量子多体问题上具有优势，例如某些量子相变现象的实现会更加直接。另外，超冷原子具有稳定的原子能级结构、较低的原子速度、自由引入和控制的外部势场，以及几乎没有晶格缺陷、杂质、自发弛豫等特点，这将有效避免退相干或不必要的环境相互作用。正是因为这些优势，科学家利用多种技术手段结合超冷原子系统进行量子模拟，从而深入、定量地理解强关联量子多体系统，并成功推进新型材料研究。

03

光晶格与哈伯德物理

光晶格作为超冷原子量子模拟中的一个重要技术[12]，是由激光干涉形成的类似晶体中原子周期性势场的人工结构。不同于自由空间，在这些区域中运动的原子将受到周期性势场的影响，原子如同放在托盘中的鸡蛋一般(图1)，被限制在相应的光晶格中，这种排列方式能够自然地模拟出电子在真实晶体中的行为。在超冷原子系统中利用光晶格技术进行量子模拟最大的优势在于光晶格的多自由度使其能在可调节和可控制的环境中实现复杂凝聚态模型，从而模拟固体材料的特性。

图1　超冷原子光晶格示意图

科学家在实验研究中利用光晶格技术对众多物理模型进行了成功模拟，以哈伯德模型为例，哈伯德模型能够阐释粒子在晶格中的运动与相互作用行为，于1963年由物理学家哈伯德提出[13]。哈伯德模型按量子统计特性，可细分为玻色—哈伯德模型[14]和费米—哈伯德模型[15]，两者在物理现象和应用场景上存在显著差异。

玻色—哈伯德模型解释了玻色子在周期性光晶格中的运动，揭示出粒子间相互作用与量子隧穿效应如何影响系统的宏观相态。利用超冷原子载入光晶格，我们能够精细调节粒子间相互作用强度以及量子隧穿率，进而探索哈伯德模型中超流态与莫特绝缘态之间是如何相变的(图2)。2002年格雷纳(Markus Greiner)在博士期间与埃斯林格、布洛赫(Immanuel Bloch)共同研究，观察到了玻色—哈伯德模型的莫特相变[16]。当量子隧穿效应占据主导地位时，玻色子能够在光晶格间自由移动，系统呈现超流态。然而一旦相互作用强度与隧穿率比值发生变化时，超冷原子系统的宏观相态将发生显著差异。通过光晶格技术将粒子间相互作用增强时，粒子出现局域化被限制在固定的光晶格中无法进行格间跳跃，每个光学晶格间具有相同数量的原子，系统从而呈现莫特绝缘态。光晶格技术不仅使人们能够直接观察到哈伯德模型超流态与莫特绝缘态之间的相变过程，也为理解量子材料中的相干运动与局域行为提供了实验依据，这将对新型超导材料与强关联体系的设计产生重要启示[17]。

图2　超流体态(左)与莫特绝缘体态(右)之间的转变

费米—哈伯德模型作为描述强关联电子系统最简洁的理论模型之一，对于高温超导与磁性材料的微观机制的理解具有重要意义[18]。安德森在观察到费米—哈伯德模型在半充满条件下表现出的反铁磁绝缘行为与铜氧化物高温超导体的母相高度相似，进而提出猜想，对费米—哈伯德模型的原理进行深入研究或许能揭示高温超导的机理。然而，该模型涉及到复杂的量子涨落与量子纠缠现象，特别是在二维及以上维度中缺乏解析解，这一系列难题极大增加了理论与计算难度。目前实验上已经利用光晶格、莫尔超晶格[19]、半导体量子点[20]在内的多种技术手段成功实现对费米—哈伯德模型的量子模拟。尽管玻色—哈伯德模型的莫特相变早在2002年已被观测到，但费米—哈伯德模型存在多种对称性破缺态之间的竞争，对理论与实验提出新的挑战。2008年，埃斯林格团队在冷原子系统中首次实验观察到费米子系统中的莫特绝缘态[21]，这为模拟高温超导奠定了实验条件。2016年，格雷纳团队利用量子气体显微镜实现了对超冷费米原子系统中反铁磁关联的空间分辨直接观测，进一步推动了费米—哈伯德模型中磁性关联的实验验证[22]。为表彰布洛赫、格雷纳、埃斯林格三位先驱科学家基于光晶格中的超冷原子开创性地实现对哈伯德模型作为强相互作用多体系统的量子模拟领域的突出贡献，他们被授予2025年度“墨子量子奖”(The Micius Quantum Prize 2025)。2023年，哈佛大学徐穆清团队致力于探究几何阻挫与高温超导现象，他们借助超冷原子系统，在光晶格内成功构建了三角晶格的费米—哈伯德模型。该研究团队通过改变晶格的参数，成功观察到了由电子掺杂引发的铁磁关联和量子自旋液体候选态。该研究成功揭示出三角晶格中磁性竞争的新机制，并为铜氧化物高温超导体的理论验证提供新的实验依据[23]。2024年，我国潘建伟领导的研究小组运用超冷原子光晶格技术，打造了一个大型且均匀的费米—哈伯德模型量子模拟器，并在国际上首次观察到了反铁磁相变现象[24]。除此之外，基于光晶格技术对量子自旋冰、自旋玻璃、材料中声子动态行为等复杂系统的模拟也在实验中得到成功实现[25，26]。

包括哈伯德模型在内，当前国内外众多科学家利用超冷原子成功实现了对伊辛模型[27]、量子霍尔效应模型[28]、量子自旋霍尔效应模型[29]、量子无序态模型[30]、霍尔丹模型[31，32]、BCS理论[33]等模型的模拟，这些物理模型在凝聚态物理学中同样至关重要。

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人造规范场

由于超冷原子系统中的原子通常为电中性，在电场的作用下并不会表现出明显的相对论效应或自旋动量锁定，因此难以直接模拟电子与电磁场的相互作用，以及自旋轨道耦合所引发的固体中的诸多奇妙现象。自旋轨道耦合是带电粒子在外部电势场(如原子核库仑势或晶体势)中运动时，由于相对论效应，在粒子的瞬时共动参考系中电场通过洛伦兹变换产生有效磁场，该有效磁场与粒子自旋所对应的磁矩发生耦合作用，从而导致能级劈裂。自旋轨道耦合并非粒子的内禀属性，而是由自旋自由度与外部电场共同决定的重要相互作用，在自旋电子学、拓扑量子态以及相关量子材料研究中发挥着关键作用。

在众多材料系统中广泛观察到的自旋轨道耦合现象，推动了拓扑超导体[34]、拓扑绝缘体[35]、量子自旋液体[36]的发展。由于粒子在固体材料中难以精确控制，当前实验研究面临的一大挑战是如何在常温条件下构建稳定的强自旋轨道耦合系统。科学家们正在尝试使用精确可控的人造规范场来模拟材料内部的自旋轨道耦合效应。利用人造规范场进行量子模拟打开了自旋轨道耦合研究新的维度，为研究拓扑量子材料提供了新的可能性[37，38]。研究人员通过人造规范场实现中性原子对带电粒子在磁场中行为的模拟，利用外部磁场调控原子的自旋和轨道自由度在实验上实现了对中性原子量子态的精细控制。这一研究方法将实际空间维与原子的自旋态构成的合成维进行了有效结合，使得模拟此前难以触及的物理区域成为可能，显著拓展了量子模拟的应用范围[39]。

2011年，美国国家标准计量局的斯皮尔曼(I. B. Spielman)在玻色子87Rb的玻色—爱因斯坦凝聚体(BEC)中，通过两束拉曼激光耦合87Rb原子的两个超精细能态，首次实现人造自旋轨道耦合[40]，是Rashba和Dresselhaus两种自旋轨道耦合的叠加。费米子系统在新材料研发中同样具有重要地位，因为自然界中多数系统都是费米子，比如电子。2012年，山西大学张靖团队率先利用费米子40K的简并费米气体实现了一维的人造自旋轨道耦合[41]。2016年，张靖团队进一步利用三束拉曼光耦合三个超精细态实现了二维费米气体的自旋轨道耦合，通过精确调控激光的相对频率和方向，使得自旋和动量自由度相互耦合，观测到具有狄拉克点的拓扑能带[42]，并进一步实现了对拓扑能带的精确调控[43]，为研究狄拉克拓扑量子材料奠定了实验基础。法国国家科学研究中心的莫尼卡(Monica)在

Science

05

量子模拟助力新型二维材料研发

量子模拟技术不仅对现有材料性能进行了深入探索，而且在创造新材料方面也展现出巨大的潜力。以石墨烯为例，石墨烯以其卓越的机械强度、高导热导电性、良好的透光性，已经被证明在高温超导、超高速晶体管、新型传感器等尖端技术中具有广泛的应用潜力[52]。相较于传统半导体，石墨烯是一个相对较新的材料，但自2004年石墨烯首次制备成功以来[53]，便迅速吸引了科研界的大量关注。

在材料科学领域，诸多非凡特性通常源自其特有的能带结构。为定制新材料的性能，研究者必须深入研究材料的基础物理原理。石墨烯因其独特的线性色散特性和狄拉克点，成为探索电子输运和拓扑现象的重要平台(图3)。利用量子模拟的技术手段，科学家能够以高度可控的方式深入探索石墨烯的电子结构与动力学行为，重现具有狄拉克锥特性的能带结构，这为开发基于石墨烯的量子器件提供了坚实的理论基础和实验支撑。二十年间，利用量子模拟技术对石墨烯材料特定性能进行的研究取得显著的进展，值得注意的是，进步不仅仅局限于对材料内在特征的理解上，更拓展了材料合成和制造方法的广度，为下一代量子材料与技术的研发奠定了坚实的基础。

图3 (a)石墨烯的蜂窝状层面结构；(b)动量能量色散谱，能带的交点处就是狄拉克点；(c)人造石墨烯的激光设计原理

光晶格技术以其结构优势成为模拟石墨烯蜂窝结构的首选，研究人员通过精确控制激光干涉形成的周期性势能，在超冷原子系统中构建蜂窝结构势阱来模拟石墨烯的晶格对称性与能带特征。2012年，埃斯林格团队通过在二维类蜂窝状光晶格中加载40K费米子气体，成功模拟出石墨烯的狄拉克点结构。该实验首次在超冷原子系统中再现了石墨烯能带的线性色散关系，为探索其拓扑属性开辟了新途径[54]。2015年，科学家们通过构建人造规范场，在光晶格内实现了中性原子的量子霍尔效应，成功模拟了石墨烯中类似的边缘态传输行为[55]。这些实验不仅证实了关于石墨烯基本电子行为的理论预测，还为拓扑材料和创新量子设备的定制化模拟提供了平台。

单层石墨烯的特殊能带结构已激发了研究者们的极大热情，而当石墨烯层叠并施以轻微扭转时，又在凝聚态物理学领域引起了巨大的震动。在固态物质中，所谓的扭转双层石墨烯，指的是两个单层石墨烯在特定的微小角度下叠加所形成的莫尔超晶格。单层石墨烯的电中性点处具有狄拉克点，在其附近电子可由无质量狄拉克方程描述，并且其能量—动量关系呈现典型的线性色散，而双层石墨烯微小的扭转角度将引发层间电子跳跃，电子跳跃导致的能带杂化会根据堆叠方式的不同，重构其低能区的能带结构，从而形成周期性莫尔超晶格，出现新型干涉效应，这使得双层石墨烯具有可调控的电子性质。通过精细调控双层石墨烯的层间距离和相对扭转角度，能够改变其能带形态与电子行为。例如，在某些“魔角”下，会形成一个长周期的莫尔超晶格，其二维体系的元胞扩大，子晶格的晶格常数远大于原始石墨烯。这将导致电子在晶格内部的有效隧穿率指数级减小，从而使得中间子能带趋向平带。与此同时，电子间的库仑相互作用只随距离按幂律缓慢降低，因此在这个结构中的相互作用相对于转角系统的子能带宽度迅速增强，系统进入强关联状态，诱导出各种新奇的电子关联效应，展现与哈伯德模型类似的非常规超导态和强关联绝缘态等新奇量子相[56]。更重要的是，通过调节旋转角度，这样的体系具备高度可控性，而石墨烯本身又是实验平台中极易操作、性能优异的材料，因此成为研究强关联电子物理的突破性体系，引发了一场材料革命，并创造了一个全新的研究领域——扭转电子学[57]。

在石墨烯研究取得巨大飞跃后，二维材料的研究大门缓缓打开。近年来，科学家们试图将孤立的原子平面(如MoS2、h-BN、NbSe2、Crl3等)按照精确选择的顺序组装成异质结构(图4)。这些原子平面与石墨烯有一项共同特性，即每层的原子都由强大的共价键相连接，垂直方向上却只通过弱范德瓦耳斯力与相邻层结合，没有多余的价电子与其他原子成键，这样的层间结构也被称作范德瓦耳斯异质结构，如同拼乐高积木一样，通过拼接堆叠实现材料功能的构建[58，59]。

图4　多种单层二维材料叠加形成的范德瓦耳斯异质结构材料

传统扭转电子学研究的一大难点在于如何精准控制扭转角度与层间耦合强度，预防出现晶格畸变等现象，并保证实验的可重复性与调控灵活性。超冷原子系统因其卓越的可控性和无杂质背景，为模拟以石墨烯、范德瓦耳斯异质结构为代表的扭转双层二维材料提供了“可编程”“可调参数”的新平台[60]。2020年，西班牙光子科学研究所利用超冷原子构造出双层石墨烯结构[61]。2023年，山西大学张靖团队成功利用超冷原子实验平台实现了对扭转双层晶格结构的量子模拟，将扭转电子学拓展到中性原子系统。为构造出类似扭转双层方格晶格的人工莫尔结构，研究团队将玻色—爱因斯坦凝聚体加载到自旋依赖的光晶格中。该实验直接观测到了清晰的莫尔图案和动量空间衍射图样，实验观察到新的超流—莫特绝缘体相变机制[62]。

Science Bulletin

物理学家之所以对扭转双层石墨烯研究充满兴趣，不仅因为它可能成为实用的非常规超导体，更因为它有望带领科研人员理解超导现象的本质。尽管量子模拟技术无法完全复刻石墨烯的复杂行为，但一定程度上它揭示了石墨烯奇异物理现象背后的机制。随着量子模拟技术的广泛应用，莫尔超晶格或将成为模拟量子晶格模型的前沿平台，为研发具有特定电子输运特性的材料提供理论依据和实验支持[66]。

06

多种模拟系统百花齐放

除超冷原子系统外，多种量子模拟平台在材料研究中同样得到广泛应用。光子系统作为集体行为与拓扑效应的重要工具，在室温下即可进行操作，具有精确的局部操控能力与独立探测优势，对于令研究人员头疼的退相干效应能够天然免疫[67]。离子体系包括受限离子、囚禁离子及离子阱技术，具有较长的相干时间，适用于模拟量子多体相互作用[68，69]。电子系统有助于实现对强关联电子行为的研究，例如构建量子点阵列模拟费米—哈伯德模型[70]。核自旋系统依托核磁共振技术，在量子相变、自旋模型等领域也得到广泛应用[71]。此外，实验室也成功实现利用金刚石NV色心体系对于三维手性拓扑绝缘体的模拟研究，这在凝聚态体系中是难以做到的[72]。

光子晶体作为周期性介电结构材料，具有独特的光子能带调控能力，已成为光子系统中模拟研究其他物理问题的重要手段。科学家们可以操控入射波函数，精确控制实验系统初始条件，有助于推动对非线性光学中复杂现象的认识[73，74]，当前已成功模拟了诸如量子霍尔效应和集体相互作用等现象。2013年，研究人员利用光子晶体实现对二维拓扑绝缘体的模拟，呈现了光子晶体中的拓扑边界态[75]。2023年，罗切斯特大学研究团队开发出一种能够控制光子纠缠频率的量子模拟系统，实现了时间—频率域中的量子随机行走、布洛赫振荡和多能级拉比振荡的模拟[76]。

离子阱系统的高保真度和单比特分辨能力，能够模拟量子磁性材料的相变行为，实验成功观察到从顺磁态到铁磁或反铁磁有序态的转变[77]，2016年科学家们开发出二维离子晶体结构的离子阱系统[78]。清华大学段路明团队利用离子阱系统实现了长程横场伊辛模型的动力学演化模拟，这是国际上最大规模的具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算[79]。

超导电路可模拟电子的强关联行为[80]，助力高温超导机制研究[81]。超导量子比特阵列可模拟量子自旋系统，探寻自旋链中的量子相变与纠缠行为[82，83]。超导谐振腔阵列中的激发子(如微波光子)能够模拟玻色子的莫特绝缘体—超流体相变[84]，而通过超导量子比特耦合形成的谐振腔网络，还可用于研究拓扑相位等[85]。潘建伟团队基于自主研发的新型超导量子比特Plasmonium，构建出作用于光子的人造规范场，首次实现光子的分数量子反常霍尔态[86]。

07

超冷原子量子模拟面临的技术挑战与新机遇

尽管冷原子体系在可控性方面具有显著优势，但随着超冷原子理论与实验研究的不断深入，人们对其量子调控能力提出了更高的要求，因此在探索新奇量子物态时也暴露出若干不足与挑战。例如，最近实现的超冷原子扭转光晶格实验虽在模拟扭转量子材料方面展现出独特优势，但扭转引起的能带折叠在小扭转角条件下会显著缩小不同能带之间的能隙，其尺度甚至可能下降数个量级[62]。这对能带结构的实验探测能力提出更高要求，需要发展新型的高分辨率能带探测手段。同时，为避免热涨落对能带的影响，也亟需将原子温度进一步降低。值得关注的是，空间冷原子实验平台在实现更低温度方面展现出独特潜力，可将原子温度从传统几十纳开尔文进一步降低至皮开尔文量级[87—89]，为未来高精度量子模拟提供新的可能。

此外，目前超冷原子量子模拟中常用的外势类型仍主要限于谐振子势和光晶格势等，这类外势的优势在于实验实现简便，只需调控少量激光光束的失谐与偏振即可获得。但其结构相对单一，装载的原子气体边界通常较为模糊，不利于模拟更复杂或具备清晰边界条件的量子体系。因此，下一步超冷原子实验急需发展新的外势调控技术。特别值得关注的是，近年来快速发展的空间光调制器(SLM)[90，91]和数字微镜阵列(DMD)[92，93]技术为构建具有任意形状和精确边界的外势提供了可能。如果将这些技术应用于超冷原子系统，可以在原则上实现任意几何结构的势阱或周期结构，例如可以实现平顶势、线型与环形势、边界可控的盒式势等。进一步地，通过构建类似光子晶体那样可灵活设计的具有开边界条件的“原子晶体”，超冷原子平台有望在拓扑物态研究中发挥更大作用，包括实现和探测多种拓扑边界态等新奇量子现象。

综上，虽然超冷原子体系在量子模拟方面展现出巨大潜力，但其进一步发展仍依赖于更高精度的能带探测、极低温制备技术以及更加灵活可控的外势工程。上述方向的突破将显著拓宽超冷原子量子模拟的适用范围，并进一步推动其在新材料研发中的应用。

08

结 语

当前科学研究范式已完成传统实验驱动向理论驱动的过渡，正处于计算驱动的初级阶段，量子模拟正位于量子力学发展与新材料创新交汇的前沿，未来人工智能与量子模拟技术的融合，将推动材料科学迈入全新的智能驱动阶段[93]。量子模拟利用其“自下而上”的研究方式，能够优化材料特定性能，有效加速新材料的发现与设计，一定意义上实现了费曼关于“用一个可控量子系统模拟另一个”的设想。面向未来，量子模拟既需要技术层面的工程突破，也需要理论上明确可验证的科学目标。在技术与理论的双重推动下，我们有理由相信：量子模拟器的深入研究有望催生出一系列具有革命性功能和应用前景的新型材料。

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