我國量子計(jì)算研究取得重大進(jìn)展。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)近日成功構(gòu)建了求解一種特定科學(xué)模型的量子模擬器，首次觀測(cè)到該體系中的特殊現(xiàn)象——反鐵磁相變，實(shí)現(xiàn)了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)理奠定了重要基礎(chǔ)。這一研究成果于7月10日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。

超冷原子量子模擬器
擁有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力

在中國科學(xué)院量子創(chuàng)新研究院的實(shí)驗(yàn)室里，可以看到一臺(tái)涉及激光、真空、電子學(xué)等不同門類的數(shù)千個(gè)器件組成的裝置，它就是科研團(tuán)隊(duì)最新成功構(gòu)建的超冷原子量子模擬器。它對(duì)于求解某一特定科學(xué)問題的計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
量子模擬，就是利用人造可控的量子系統(tǒng)，在量子的微觀世界里模擬一些經(jīng)典情況下很難計(jì)算或者實(shí)現(xiàn)的情況。在本次研究中，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里搭建了一個(gè)超冷原子量子模擬器，并且成功利用這個(gè)量子模擬器，實(shí)現(xiàn)了有望描述高溫超導(dǎo)機(jī)理的一種重要理論模型預(yù)言的反鐵磁狀態(tài)。

據(jù)介紹，費(fèi)米子哈伯德模型被認(rèn)為是有希望解釋高溫超導(dǎo)機(jī)理這一困擾物理學(xué)界近四十年難題的核心物理模型。一旦理解了它的物理機(jī)制，就能夠規(guī)?；卦O(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用新型的高溫超導(dǎo)材料，在電力傳輸、醫(yī)學(xué)、超算等領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。

可操控80萬個(gè)格點(diǎn)
提升4個(gè)數(shù)量級(jí)

目前國際上主流的求解費(fèi)米子哈伯德模型的量子模擬實(shí)驗(yàn)只能同時(shí)操控幾十個(gè)原子，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)最新構(gòu)建的量子模擬器能夠同時(shí)操控大約80萬個(gè)格點(diǎn)，提升了4個(gè)數(shù)量級(jí)，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)，從而首次驗(yàn)證了費(fèi)米子哈伯德模型包括摻雜條件下的反鐵磁相變。

△費(fèi)米子哈伯德量子模擬器示意圖。紅色和藍(lán)色的小球分別代表自旋相反的原子，它們?cè)谌S空間交錯(cuò)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(xué)院院士 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 常務(wù)副校長 潘建偉：**從某種意義上講，我們最近的成果相當(dāng)于實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域里第二步的重要的一步，我們把大門給打開了，終于證實(shí)了可以構(gòu)建某類特殊的量子模擬機(jī)，來做某些在科學(xué)上有重要意義的事情，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)本身是沒辦法解決的，用了我們的量子模擬機(jī)之后就可以解決，按照同行的評(píng)價(jià)，這是在走向量子模擬機(jī)里面的一個(gè)非常重要的里程碑性的工作。

攻關(guān)十余載
開啟構(gòu)建專用量子模擬機(jī)大門

經(jīng)過十多年的持續(xù)攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)終于成功構(gòu)建超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬器，也打開了構(gòu)建專用量子模擬機(jī)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(gòu)建純凈的費(fèi)米子哈伯德量子模擬器主要有三大難點(diǎn)：

• 首先是要將系統(tǒng)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(dǎo)等物理狀態(tài)。
• 另一個(gè)難點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)足夠大且均勻的體系，因?yàn)榉蔷鶆蛐詴?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)多種狀態(tài)共存，從而干擾想要研究的對(duì)象狀態(tài)。
• 最后，是需要發(fā)展新型的測(cè)量手段，對(duì)量子模擬器實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行精確測(cè)量和表征。

延伸小知識(shí)

神奇的量子
眾所周知，世間萬物包括我們?nèi)祟愖陨矶际怯晌⒂^粒子組成的，這是一個(gè)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(gè)短片走進(jìn)神奇的量子世界。

• 神奇的量子有兩個(gè)怪癖：不可分割、不可克隆。利用量子的這兩個(gè)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(gè)堪稱神奇的絕技，就是分身術(shù)和遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)。最強(qiáng)悍的量子計(jì)算機(jī)和最安全的量子通信，關(guān)鍵靠的就是這兩個(gè)絕技。
• 量子的分身術(shù)也叫**“**量子疊加”，就是一個(gè)量子可以同時(shí)存在好幾種狀態(tài)。如果分解一個(gè)300位的大數(shù)，用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)需要15萬年，用量子的分身術(shù)并行運(yùn)算，只要1秒鐘就可以算出來。

構(gòu)建專用量子模擬機(jī) 搶占科技制高點(diǎn)

如果把經(jīng)典計(jì)算比作自行車，量子計(jì)算與量子模擬就像飛機(jī)。量子計(jì)算與量子模擬國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如何？新的大門開啟之后，科研團(tuán)隊(duì)將如何構(gòu)建專用量子模擬機(jī)、搶占科技制高點(diǎn)？繼續(xù)來看專家解讀↓↓

據(jù)介紹，目前全球數(shù)十家科研團(tuán)隊(duì)都在開展利用量子模擬求解各種科學(xué)模型的科研攻關(guān)。中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建的量子模擬器，在國際上首次展現(xiàn)了超冷原子量子模擬擁有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，也為構(gòu)建能夠求解費(fèi)米子哈伯德模型的專用量子模擬機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

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