構(gòu)建超冷原子量子模擬器：用魔法打敗魔法！

出品：科普中國

作者：欒春陽（清華大學(xué)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)成果來自中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)一群杰出的科學(xué)家，他們成功研制了一臺(tái)名為“天元”的量子模擬器。這臺(tái)量子模擬器之所以引人注目，是因?yàn)樗軌蛱幚硪粋€(gè)長期困擾科學(xué)家的復(fù)雜問題，那就是模擬“費(fèi)米子-哈伯德模型”。

“天元”量子模擬器擁有高達(dá)80萬個(gè)光晶格點(diǎn)，這意味著它的模擬能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了我們?nèi)粘Ｊ褂玫慕?jīng)典計(jì)算機(jī)。更令人興奮的是，它首次實(shí)現(xiàn)了對(duì)一種被稱為“反鐵磁相變”的重要物理現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這標(biāo)志著我們進(jìn)入了一個(gè)全新的量子科學(xué)時(shí)代。

這項(xiàng)工作的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了我們目前的想象。它不僅為科學(xué)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(dǎo)等復(fù)雜現(xiàn)象。這不僅為科學(xué)研究開辟了新的視野，也為未來的技術(shù)創(chuàng)新打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

相關(guān)研究成果以“三維費(fèi)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(xiàn)1）

“費(fèi)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(xué)家們對(duì)這個(gè)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(xué)家們普遍認(rèn)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(tái)上跳著一支復(fù)雜的舞蹈，它們的每一個(gè)動(dòng)作都影響著整個(gè)隊(duì)伍的和諧。但在現(xiàn)實(shí)世界中，這場(chǎng)舞蹈太過復(fù)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(fù)雜的計(jì)算之中。

雖然復(fù)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(dǎo)、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(fèi)米子-哈伯德模型”。

1963年，物理學(xué)家約翰·哈伯德提出了一個(gè)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(gè)模型并不復(fù)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(diǎn)內(nèi)電子間的排斥力。盡管模型簡單，但它能解釋許多復(fù)雜現(xiàn)象，包括我們對(duì)高溫超導(dǎo)的理解。

二維情況下，“費(fèi)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(gè)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(diǎn)的增加，計(jì)算的難度也會(huì)急劇上升，即使是最強(qiáng)大的超級(jí)計(jì)算機(jī)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(xué)家理查德·費(fèi)曼提出了一個(gè)大膽的想法：為什么不直接用量子系統(tǒng)來模擬這些復(fù)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(jì)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(xué)家們?cè)谔剿麟娮有袨闀r(shí)，遇到了傳統(tǒng)計(jì)算方法的局限。為了克服這些難題，他們采納了理查德·費(fèi)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(gè)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(fèi)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(gè)點(diǎn)都是精確控制的節(jié)點(diǎn)?！俺湓印眲t是通過激光冷卻技術(shù)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(xiàn)1）

構(gòu)建量子模擬器的過程可以簡化為三個(gè)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(gè)個(gè)完美的小盒子，為電子提供“舞臺(tái)”。

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

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

“反鐵磁相變”可能聽起來復(fù)雜，但其實(shí)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(dāng)溫度上升，這種有序排列會(huì)被打破，磁性也會(huì)隨之改變。

盡管“費(fèi)米子-哈伯德模型”已經(jīng)提出多年，但在實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(xué)家們就能模擬出反鐵磁自旋漲落的過程，這不僅驗(yàn)證了高溫超導(dǎo)機(jī)制理論，也是理解這一現(xiàn)象的關(guān)鍵一步。

量子模擬領(lǐng)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(shí)驗(yàn)中也從未得到過驗(yàn)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(jí)計(jì)算機(jī)看來幾乎是不可能的任務(wù)。

然而，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等科學(xué)家們勇敢地迎接了這一挑戰(zhàn)。他們巧妙地結(jié)合了先進(jìn)的技術(shù)，構(gòu)建出了一臺(tái)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(gè)晶格點(diǎn)躍升到了驚人的80萬個(gè)晶格點(diǎn)，這是一個(gè)質(zhì)的飛躍。通常，實(shí)驗(yàn)中構(gòu)造的光晶格體系總是存在勢(shì)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(shì)阱”技術(shù)就像是給光晶格體系做了一次“整形手術(shù)”，讓每個(gè)勢(shì)阱都變得規(guī)整，為電子提供了一個(gè)完美的舞臺(tái)。

“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(shù)進(jìn)一步優(yōu)化了實(shí)驗(yàn)過程，通過精細(xì)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(shè)了一層平整的地毯，為原子提供了一個(gè)均勻分布的空間。

在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步降低了勢(shì)阱中的強(qiáng)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(gè)溫暖而安靜的家，確保它們能夠在最佳狀態(tài)下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

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

這項(xiàng)研究不僅在世界上首次成功驗(yàn)證了“費(fèi)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(dǎo)的物理機(jī)制提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

這項(xiàng)研究如同在科學(xué)的長途旅行中點(diǎn)亮了一盞明燈，照亮了我們前行的道路，為我們對(duì)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(shí)代

這項(xiàng)突破性的研究成果不僅是科學(xué)界的一次輝煌勝利，更標(biāo)志著量子計(jì)算領(lǐng)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(jì)算機(jī)的能力，能夠解決現(xiàn)實(shí)世界中的復(fù)雜問題。

它為科學(xué)家們提供了一個(gè)理想的研究平臺(tái)，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(qiáng)關(guān)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(xué)技術(shù)大學(xué)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(huì)成為驗(yàn)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(dǎo)、量子相變等物理現(xiàn)象的神秘面紗，讓我們對(duì)電子之間的相互作用有更深刻的理解。

這項(xiàng)研究的成功，不僅僅是對(duì)現(xiàn)有科學(xué)理論的一次驗(yàn)證，更是對(duì)未來科學(xué)探索的一次大膽預(yù)言。它預(yù)示著量子計(jì)算將在未來扮演更加重要的角色，成為解決科學(xué)難題、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的關(guān)鍵力量，讓我們感受到了量子世界的無限可能。

參考文獻(xiàn)

[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.