探明高温超导的机理，进而研制出性能强大的新材料，是现代物理学的重大课题。中国科学技术大学的潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器“天元”，以超越经典计算机的模拟能力，首次验证了该体系中的反铁磁相变。相关研究成果于10日在线发表在国际学术期刊《自然》上。

　　超导，指材料在低于某一温度时，电阻变为零的现象。电阻为零的超导体，在电力输运、信息技术、生物医药、交通运输等领域存在巨大应用价值。但是，以高温超导为代表的新材料，其深层次机理尚未阐明，难以规模化生产和应用。

　　物理学家约翰·哈伯德提出的费米子哈伯德模型，是晶格中电子运动规律的最简化模型，被认为是可能描述高温超导材料的代表性模型之一。但它的求解难度极高，即使是超级计算机也难以进行有效数值模拟。

　　费米子哈伯德模型理论上仅能够明确无掺杂条件下系统的低温状态是反铁磁态。由于系统的复杂性，不仅反铁磁态从未得以实验验证，而且掺杂条件下的系统状态已经无法通过经典超级计算机进行准确数值模拟。

　　因此，构建量子模拟器验证包括掺杂条件下的反铁磁相变，是实现能够求解费米子哈伯德模型的专用量子关键的第一步。

　　“一旦我们理解了高温超导的物理机制，就能够规模化设计、生产和应用新型高温超导材料，在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。”论文通讯作者陈宇翱说。

　　国际学术界为量子计算的发展设定了三个阶段：一是实现“量子计算优越性”，这一里程碑目前已达到；二是实现专用量子以求解诸如费米子哈伯德模型这一类重要科学问题，这是当前的主要研究目标；三是在量子纠错的辅助下实现通用容错量子计算机。

　　“从微观层面看，世界上绝大部分材料都由原子或分子排列形成的晶格结构组成，而材料的性质主要由晶格中的电子的运动方式决定。”中科大教授姚星灿说，因此基于光晶格中的超冷原子体系构建量子模拟器，对费米子哈伯德模型进行模拟和求解，不仅是理解高温超导机理的有效途径，也是量子计算研究的重大突破。

　　潘建伟团队在前期实现盒型光势阱中的均匀费米超流的基础上，结合机器学习优化技术实现最低温度的均匀费米简并气体制备，进一步创新方法实现空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。

　　在此基础上通过精确调控，直接观察到了反铁磁相变的确凿证据——自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象。

　　在前期工作基础上，研究团队进一步降低了盒型光势阱的强度噪声，并结合机器学习优化技术实现了最低温度的均匀费米简并气体制备，满足了实现反铁磁相变所需要的低温。他们创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合，实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。

　　通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，研究团队直接观察到了反铁磁相变的确凿证据——自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象，从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。

　　这项研究为进一步求解费米子哈伯德模型，获取其低温相图以及更深入地理解高温超导机理奠定基础，也首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。

　　在研究中，量子模拟显示出了惊人的能力。利用量子模拟，科学家实现了半满和偏离半满状态下的反铁磁相变，而反铁磁态的相变是哈伯德模型低温下最可信的理论预言，这种模拟平台的成功构建，第一次显示出量子模拟在解决经典计算无法解决的具有重要、实际价值的科学问题的能力，而且为今后进一步获得费米子哈伯德模型的低温相图，理解量子磁性在高温超导机理中的作用奠定了基础。

　　陈宇翱表示，他们首次展现了量子模拟在解决重要科学问题上的巨大优势。《自然》审稿人高度评价该成果：“有望成为现代科技的里程碑和重大突破”“标志着该领域向前迈出了重要的一步”。

　　根据中国科学技术大学科技史专家石云里教授提供的资料，“天元”，是宋元时期发展起来的来符号代数，将未知数设为“天元一”，用算筹列出矩阵式方程，通过运算求解，得出结果。

　　这套方法当时在世界上也是领先的，叫做“天元术”。此外，天元也是围棋棋盘正中央的星位被称为天元，象征着众星烘托的“北极星”。命名为天元代表着科学家对它未来能够解决更多专用科学问题的希望。

　　理论上，量子磁性来源于电子自旋相互作用，但是固体中的电子为何表现出这样的性质，又是如何形成这种状态的？进入微观、多体的世界，各种粒子的多种互动，给理论物理学家和实验物理学家都提出了大难题。这样的难题，经典方法解起来属实为难。

　　这次实验手段的突破，通过把超冷费米气体放进大而均匀的光晶格，保证了费米子哈伯德模型中相互作用项和邻近跳跃项处处都比较均匀。

　　在80万格点的大体系和奈尔温度以下的苛刻条件下，观察到了包括掺杂条件下的反铁磁相变，证明这个平台是一个可以用来对费米子哈伯德模型进行量子模拟的工具。

　　未来，我们可以用它对费米子哈伯德模型下的各种奇异的量子相进行研究，也可以用来对量子磁性、高温超导等重要问题提供一些崭新的理解。

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