出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學物理系）

監(jiān)制：中國科普博覽

“有望成為現(xiàn)代科技的里程碑和重大突破！”“是實驗的杰作，是期待已久的成就！”

究竟是怎樣的科研成果，能讓《自然》期刊的審稿人發(fā)出如此的感嘆呢？

這項成果來自中國科學技術大學一群杰出的科學家，他們成功研制了一臺名為“天元”的量子模擬器。這臺量子模擬器之所以引人注目，是因為它能夠處理一個長期困擾科學家的復雜問題，那就是模擬“費米子-哈伯德模型”。

“天元”量子模擬器擁有高達80萬個光晶格點，這意味著它的模擬能力遠遠超過了我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕?jīng)典計算機。更令人興奮的是，它首次實現(xiàn)了對一種被稱為“反鐵磁相變”的重要物理現(xiàn)象的實驗驗證，這標志著我們進入了一個全新的量子科學時代。

這項工作的意義遠遠超出了我們目前的想象。它不僅為科學家們提供了一種全新的工具來探索低溫下的特殊物理行為，還幫助我們更深入地理解了高溫超導等復雜現(xiàn)象。這不僅為科學研究開辟了新的視野，也為未來的技術創(chuàng)新打下了堅實的基礎。

相關研究成果以“三維費米子-哈伯德模型中的反鐵磁相變”為題發(fā)表于《自然》期刊上（圖片來源：參考文獻1）

“費米子-哈伯德模型”：簡約卻不簡單的物理模型

你是否曾經(jīng)好奇，為什么鐵能吸引小磁鐵，而木頭卻不行？雖然科學家們對這個問題已經(jīng)有了一些了解，但磁性的神秘面紗仍然沒有完全揭開。

科學家們普遍認為，磁性的秘密藏在材料內(nèi)部電子的相互作用中。想象一下，電子在原子的舞臺上跳著一支復雜的舞蹈，它們的每一個動作都影響著整個隊伍的和諧。但在現(xiàn)實世界中，這場舞蹈太過復雜，我們用傳統(tǒng)方法難以完全捕捉。

磁性之謎的示意圖

（圖片來源：veer圖庫）

盡管我們知道答案藏在電子的相互作用中，但要揭開這層神秘的面紗，我們需要一把鑰匙，這把鑰匙似乎被隱藏在復雜的計算之中。

雖然復雜，但我們不能放棄。在電子的奇妙世界里，電子之間的相互作用不僅決定了材料的基本特性，還催生了如高溫超導、量子相變等令人驚嘆的物理現(xiàn)象。為了探索這些現(xiàn)象，我們引入了“費米子-哈伯德模型”。

1963年，物理學家約翰·哈伯德提出了一個描述電子在晶格中行為的模型，這里的“晶格”是指原子按照一定的規(guī)律排列的空間結(jié)構(gòu)。這個模型并不復雜，它只是將電子的行為簡化為兩種：一種是電子在相鄰晶格間的跳躍，另一種是同一晶格點內(nèi)電子間的排斥力。盡管模型簡單，但它能解釋許多復雜現(xiàn)象，包括我們對高溫超導的理解。

二維情況下，“費米子-哈伯德模型”的示意圖

（圖片來源：Wikipedia）

然而，要精確求解這個模型，就像是在沒有地圖的情況下穿越一片茫茫森林。隨著晶格點的增加，計算的難度也會急劇上升，即使是最強大的超級計算機也感到力不從心。

但這并不意味著我們束手無策。早在40多年前，物理學家理查德·費曼提出了一個大膽的想法：為什么不直接用量子系統(tǒng)來模擬這些復雜的量子現(xiàn)象呢？這樣，我們就可以繞過那些棘手的數(shù)值計算，直接探索量子世界的奧秘。

構(gòu)建超冷原子量子模擬器：用魔法打敗魔法！

科學家們在探索電子行為時，遇到了傳統(tǒng)計算方法的局限。為了克服這些難題，他們采納了理查德·費曼的前瞻性建議，開始構(gòu)建一種全新的工具——量子模擬器。這個量子模擬器能夠精確模擬電子在晶格中的行為，幫助我們更深入地理解“費米子-哈伯德模型”。

在眾多人造量子體系中，三維光晶格中的超冷原子因其純凈和可控性而成為模擬的理想選擇。想象一下，“三維光晶格”就像是用光編織出的完美空間格架，每個點都是精確控制的節(jié)點?！俺湓印眲t是通過激光冷卻技術幾乎靜止在這些光晶格中的原子。

裝載到光晶格中原子排列的示意圖

（圖片來源：參考文獻1）

構(gòu)建量子模擬器的過程可以簡化為三個步驟：

1）利用三束正交的激光創(chuàng)造出均勻分布的三維光晶格，就像是在空間中畫出一個個完美的小盒子，為電子提供“舞臺”。

2）將原子冷卻到接近絕對零度，并將它們巧妙地安置在光晶格中，準備開始它們的“表演”。

3）觀察舞臺上的“奇妙物理現(xiàn)象”——反鐵磁相變，以驗證模型的準確性。

“反鐵磁相變”可能聽起來復雜，但其實質(zhì)是：在低溫下，材料內(nèi)部的電子自旋傾向于指向相反方向，形成穩(wěn)定狀態(tài)；但當溫度上升，這種有序排列會被打破，磁性也會隨之改變。

盡管“費米子-哈伯德模型”已經(jīng)提出多年，但在實驗中直接觀察到反鐵磁相變?nèi)允且淮筇魬?zhàn)。這需要將量子模擬體系的溫度降低到極低，以確保模擬的準確性。

如果能夠?qū)⒘孔幽M體系的溫度降至特定溫度以下，科學家們就能模擬出反鐵磁自旋漲落的過程，這不僅驗證了高溫超導機制理論，也是理解這一現(xiàn)象的關鍵一步。

量子模擬領域的重大突破

探索磁性的奧秘，就像攀登珠穆朗瑪峰一樣，每一步都充滿了未知和挑戰(zhàn)。即便是像“反鐵磁相變”這樣聽起來很專業(yè)的概念，在實驗中也從未得到過驗證。更不用說，在摻雜狀態(tài)下模擬這種相變，這在傳統(tǒng)超級計算機看來幾乎是不可能的任務。

然而，中國科學技術大學的潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等科學家們勇敢地迎接了這一挑戰(zhàn)。他們巧妙地結(jié)合了先進的技術，構(gòu)建出了一臺超冷原子的量子模擬器。

他們所構(gòu)建的量子模擬器，規(guī)模從幾十個晶格點躍升到了驚人的80萬個晶格點，這是一個質(zhì)的飛躍。通常，實驗中構(gòu)造的光晶格體系總是存在勢阱不均勻的問題，就像是在不平坦的地面上建造房屋。但“盒型光勢阱”技術就像是給光晶格體系做了一次“整形手術”，讓每個勢阱都變得規(guī)整，為電子提供了一個完美的舞臺。

“超冷原子”就像雞蛋一樣被裝載到“三維光晶格”中

（圖片來源：veer圖庫）

“平頂光晶格”技術進一步優(yōu)化了實驗過程，通過精細調(diào)整激光，它使得光晶格的中心區(qū)域更加均勻，就像是在不平整的地面上鋪設了一層平整的地毯，為原子提供了一個均勻分布的空間。

在此基礎上，研究團隊進一步降低了勢阱中的強度噪聲，并優(yōu)化了超冷原子的裝載過程。這就像是在寒冷的冬日里，為原子們提供了一個溫暖而安靜的家，確保它們能夠在最佳狀態(tài)下進行實驗。

最終，科學家們成功構(gòu)建出了理想的超冷原子量子模擬器。在這個模擬器中，科學家們能夠精確地調(diào)控每一個參數(shù)，終于觀察到了那個期盼已久的現(xiàn)象——反鐵磁相變。這不僅僅是對理論的驗證，更是對高溫超導物理機制探索的一次重要突破。

這項研究不僅在世界上首次成功驗證了“費米子-哈伯德模型”的反鐵磁相變（包括摻雜狀態(tài)下的情況），更為我們理解高溫超導的物理機制提供了堅實的實驗基礎。

這項研究如同在科學的長途旅行中點亮了一盞明燈，照亮了我們前行的道路，為我們對自然界深層次理解的探索帶來了新的希望和方向。

大步邁入量子2.0的時代

這項突破性的研究成果不僅是科學界的一次輝煌勝利，更標志著量子計算領域邁出了重要一步。它向世界證明了量子系統(tǒng)不只是理論上的奇跡，它們已經(jīng)展現(xiàn)出了超越傳統(tǒng)計算機的能力，能夠解決現(xiàn)實世界中的復雜問題。

它為科學家們提供了一個理想的研究平臺，使他們能夠更深入地探索凝聚態(tài)物理中的難題。它像是打開了一扇通往未知世界的大門，讓我們得以窺見電子之間強關聯(lián)相互作用的奧秘。

“天元”超冷原子量子模擬器的示意圖

（圖片來源：中國科學技術大學新聞網(wǎng)）

隨著超冷原子量子模擬器性能的不斷提升，我們有理由相信，未來它不僅僅會成為驗證反鐵磁相變的工具，更將成為探索各種奇異物理現(xiàn)象的利器。它將幫助我們揭開高溫超導、量子相變等物理現(xiàn)象的神秘面紗，讓我們對電子之間的相互作用有更深刻的理解。

這項研究的成功，不僅僅是對現(xiàn)有科學理論的一次驗證，更是對未來科學探索的一次大膽預言。它預示著量子計算將在未來扮演更加重要的角色，成為解決科學難題、推動技術進步的關鍵力量，讓我們感受到了量子世界的無限可能。

參考文獻

[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.