“有望成为当代科技的里程碑和紧要突破！”“是实验的极品，是期待已久的设立！”

究竟是何如的科研效果，能让《天然》期刊的审稿东谈主发出如斯的惊奇呢？

这项效果来自中国科学技艺大学一群凸起的科学家，他们奏凯研制了一台名为“天元”的量子模拟器。这台量子模拟器之是以引东谈主小心，是因为它大要处理一个永久困扰科学家的复杂问题，那就是模拟“费米子-哈伯德模子”。

“天元”量子模拟器领有高达80万个光晶格点，这意味着它的模拟智力远远卓越了咱们平素使用的经典筹算机。更令东谈主感奋的是，它初次竣事了对一种被称为“反铁磁相变”的抨击物理景象的实验考证，这象征着咱们干与了一个全新的量子科学时间。

这项职责的意思意思远远超出了咱们现在的念念象。它不仅为科学家们提供了一种全新的用具来探索低温下的特等物理活动，还匡助咱们更深入地融会了高温超导等复杂景象。这不仅为科学继续开辟了新的视线，也为将来的技艺鼎新打下了坚实的基础。

相干继续效果以“三维费米子-哈伯德模子中的反铁磁相变”为题发表于《天然》期刊上（图片开端：参考文件1）

“费米子-哈伯德模子”：从简却不粗拙的物理模子

你是否也曾景仰，为什么铁能诱骗小磁铁，而木头却不行？天然科学家们对这个问题仍是有了一些了解，但磁性的深重面纱仍然莫得完全揭开。

科学家们多量觉得，磁性的玄妙藏在材料里面电子的相互作用中。念念象一下，电子在原子的舞台上跳着一支复杂的跳舞，它们的每一个看成皆影响着总计这个词队列的调解。但在现实天下中，这场跳舞太过复杂，咱们用传统设施难以完全捕捉。

尽管咱们知谈谜底藏在电子的相互作用中，但要揭开这层深重的面纱，咱们需要一把钥匙，这把钥匙似乎被袒护在复杂的筹算之中。

天然复杂，但咱们不可废弃。在电子的奇妙天下里，电子之间的相互作用不仅决定了材料的基本特质，还催生了如高温超导、量子相变等令东谈主咋舌的物理景象。为了探索这些景象，咱们引入了“费米子-哈伯德模子”。

1963年，物理学家约翰·哈伯德提议了一个描写电子在晶格中活动的模子，这里的“晶格”是指原子按照一定的法例成列的空间结构。这个模子并不复杂，它只是将电子的活动简化为两种：一种是电子在相邻晶格间的卓越，另一种是团结晶格点内电子间的摒除力。尽管模子粗拙，但它能解释好多复杂景象，包括咱们对高温超导的融会。

但是，要精准求解这个模子，就像是在莫得舆图的情况下穿越一派茫茫丛林。跟着晶格点的加多，筹算的难度也会急剧高涨，即使是最盛大的超等筹算机也感到力不从心。

但这并不虞味着咱们安坐待毙。早在40多年前，物理学家理查德·费曼提议了一个果敢的念念法：为什么抵抗直用量子系统来模拟这些复杂的量子景象呢？这么，咱们就不错绕过那些难办的数值筹算，平直探索量子天下的奥秘。

构建超冷原子量子模拟器：用魔法击败魔法！

科学家们在探索电子活动时，碰到了传统筹算设施的局限。为了克服这些困难，他们选择了理查德·费曼的前瞻性建议，启动构建一种全新的用具——量子模拟器。这个量子模拟器大要精准模拟电子在晶格中的活动，匡助咱们更深入地融会“费米子-哈伯德模子”。

在繁密东谈主造量子体系中，三维光晶格中的超冷原子因其生动和可控性而成为模拟的理念念聘任。念念象一下，“三维光晶格”就像是用光编织出的完好空间格架，每个点皆是精准限度的节点。“超冷原子”则是通过激光冷却技艺真是静止在这些光晶格中的原子。

构建量子模拟器的历程不错简化为三个设施：

1）诈欺三束正交的激光创造出均匀分裂的三维光晶格，就像是在空间中画出一个个完好的小盒子，为电子提供“舞台”。

2）将原子冷却到接近十足零度，并将它们深重地安置在光晶格中，准备启动它们的“上演”。

3）不雅察舞台上的“奇妙物理景象”——反铁磁相变，以考证模子的准确性。

“反铁磁相变”可能听起来复杂，但其本质是：在低温下，材料里面的电子自旋倾向于指向相悖所在，造成持重景象；但当温度高涨，这种有序成列会被冲破，磁性也会随之改换。

尽管“费米子-哈伯德模子”仍是提议多年，但在实验中平直不雅察到反铁磁相变仍是一大挑战。这需要将量子模拟体系的温度裁减到极低，以确保模拟的准确性。

要是大要将量子模拟体系的温度降至特定温度以下，科学家们就能模拟出反铁磁自旋涨落的历程，这不仅考证了高温超导机制表面，亦然融会这一景象的要津一步。

量子模拟领域的紧要突破

探索磁性的奥秘，就像攀高珠穆朗玛峰相似，每一步皆充满了未知和挑战。即就是像“反铁磁相变”这么听起来很专科的见解，在实验中也从未取得过考证。更无谓说，在掺杂景象下模拟这种相变，这在传统超等筹算机看来真是是不可能的任务。

但是，中国科学技艺大学的潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等科学家们勇敢地管待了这一挑战。他们深重地荟萃了先进的技艺，构建出了一台超冷原子的量子模拟器。

他们所构建的量子模拟器，界限从几十个晶格点跃升到了惊东谈主的80万个晶格点，这是一个质的飞跃。每每，实验中构造的光晶格体系老是存在势阱不均匀的问题，就像是在抵抗坦的大地上斥地房屋。但“盒型光势阱”技艺就像是给光晶格体系作念了一次“整形手术”，让每个势阱皆变得规整，为电子提供了一个完好的舞台。

“平顶光晶格”技艺进一步优化了实验历程，通过概括疏通激光，它使得光晶格的中心区域愈加均匀，就像是在抵抗整的大地上铺设了一层平整的地毯，为原子提供了一个均匀分裂的空间。

在此基础上，继续团队进一步裁减了势阱中的强度噪声，并优化了超冷原子的装载历程。这就像是在清凉的冬日里，为原子们提供了一个顺心而酣畅的家，确保它们大要在最好景象下进行实验。

最终，科学家们奏凯构建出了理念念的超冷原子量子模拟器。在这个模拟器中，科学家们大要精准地调控每一个参数，终于不雅察到了阿谁期盼已久的景象——反铁磁相变。这不单是是对表面的考证，更是对高温超导物理机制探索的一次抨击突破。

这项继续不仅活着界上初次奏凯考证了“费米子-哈伯德模子”的反铁磁相变（包括掺杂景象下的情况），更为咱们融会高温超导的物理机制提供了坚实的实验基础。

这项继续如同在科学的远程旅行中点亮了一盏明灯，照亮了咱们前行的谈路，为咱们对天然界深端倪融会的探索带来了新的但愿和所在。

大步迈入量子2.0的时间

这项突破性的继续效果不仅是科学界的一次光芒奏凯，更象征着量子筹算领域迈出了抨击一步。它向天下解释了量子系统不单是表面上的名胜，它们仍是展现出了超越传统筹算机的智力，大要惩办现实天下中的复杂问题。

它为科学家们提供了一个理念念的继续平台，使他们大要更深入地探索凝合态物理中的困难。它像是掀开了一扇通往未知天下的大门，让咱们得以窥见电子之间强关联相互作用的奥秘。

跟着超冷原子量子模拟器性能的抑制提高，咱们有根由确信，将来它不单是会成为考证反铁磁相变的用具，更将成为探索多样奇异物理景象的利器。它将匡助咱们揭开高温超导、量子相变等物理景象的深重面纱，让咱们对电子之间的相互作用有更深切的融会。

这项继续的奏凯，不单是是对现存科学表面的一次考证，更是对将来科学探索的一次果敢预言。它预示着量子筹算将在将来上演愈加抨击的脚色，成为惩办科学困难、激动技艺进步的要津力量，让咱们感受到了量子天下的无尽可能。

参考文件

[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.

出品：科普中国

作家：栾春阳（清华大学物理系）

监制：中国科普博览