量子科技 | 我国量子计算研究取得重大进展！首次成功构建超越经典计算机的量子模拟器

我国量子计算研究取得重大进展。中国科学技术大学潘建伟院士团队近日成功构建了求解一种特定科学模型的量子模拟器，首次观测到该体系中的特殊现象——反铁磁相变，实现了超越经典计算机的模拟能力，为理解高温超导机理奠定了重要基础。这一研究成果于7月10日在国际学术期刊《自然》上发表。

超冷原子量子模拟器
拥有超越经典计算机的模拟能力

在中国科学院量子创新研究院的实验室里，可以看到一台涉及激光、真空、电子学等不同门类的数千个器件组成的装置，它就是科研团队最新成功构建的超冷原子量子模拟器。它对于求解某一特定科学问题的计算能力已经远远超出了经典计算机。
量子模拟，就是利用人造可控的量子系统，在量子的微观世界里模拟一些经典情况下很难计算或者实现的情况。在本次研究中，中国科学技术大学科研团队在实验室里搭建了一个超冷原子量子模拟器，并且成功利用这个量子模拟器，实现了有望描述高温超导机理的一种重要理论模型预言的反铁磁状态。

据介绍，费米子哈伯德模型被认为是有希望解释高温超导机理这一困扰物理学界近四十年难题的核心物理模型。一旦理解了它的物理机制，就能够规模化地设计、生产和应用新型的高温超导材料，在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。

可操控80万个格点
提升4个数量级

目前国际上主流的求解费米子哈伯德模型的量子模拟实验只能同时操控几十个原子，中国科学技术大学科研团队最新构建的量子模拟器能够同时操控大约80万个格点，提升了4个数量级，直接观察到了反铁磁相变的确凿证据，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。

△费米子哈伯德量子模拟器示意图。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。
**中国科学院院士 中国科学技术大学教授 常务副校长 潘建伟：**从某种意义上讲，我们最近的成果相当于实现了量子计算领域里第二步的重要的一步，我们把大门给打开了，终于证实了可以构建某类特殊的量子模拟机，来做某些在科学上有重要意义的事情，传统计算机本身是没办法解决的，用了我们的量子模拟机之后就可以解决，按照同行的评价，这是在走向量子模拟机里面的一个非常重要的里程碑性的工作。

攻关十余载
开启构建专用量子模拟机大门

经过十多年的持续攻关，科研团队终于成功构建超越经典计算机的量子模拟器，也打开了构建专用量子模拟机的大门。这扇全新大门的开启究竟有多难？又有怎样的意义呢？来看专家的解读。
潘建伟介绍，构建纯净的费米子哈伯德量子模拟器主要有三大难点：

• 首先是要将系统降低到足够低的温度，只有降低到足够低的温度，才能去研究高温超导等物理状态。
• 另一个难点是要实现足够大且均匀的体系，因为非均匀性会导致系统内多种状态共存，从而干扰想要研究的对象状态。
• 最后，是需要发展新型的测量手段，对量子模拟器实现的状态进行精确测量和表征。

延伸小知识

神奇的量子
众所周知，世间万物包括我们人类自身都是由微观粒子组成的，这是一个被称为“量子世界”的神秘地带，它遵循着让人匪夷所思的一套“另类法则”。那么，**量子究竟是什么？又有哪些特性呢？**下面就通过一个短片走进神奇的量子世界。

• 神奇的量子有两个怪癖：不可分割、不可克隆。利用量子的这两个怪癖，可以制作出最安全的保密钥匙，让我们的信息传输变得更安全。
• 它还有两个堪称神奇的绝技，就是分身术和远程心灵感应。最强悍的量子计算机和最安全的量子通信，关键靠的就是这两个绝技。
• 量子的分身术也叫**“**量子叠加”，就是一个量子可以同时存在好几种状态。如果分解一个300位的大数，用现在的计算机需要15万年，用量子的分身术并行运算，只要1秒钟就可以算出来。

构建专用量子模拟机 抢占科技制高点

如果把经典计算比作自行车，量子计算与量子模拟就像飞机。量子计算与量子模拟国内外发展现状如何？新的大门开启之后，科研团队将如何构建专用量子模拟机、抢占科技制高点？继续来看专家解读↓↓

据介绍，目前全球数十家科研团队都在开展利用量子模拟求解各种科学模型的科研攻关。中国科学技术大学科研团队此次构建的量子模拟器，在国际上首次展现了超冷原子量子模拟拥有超越经典计算机的能力，也为构建能够求解费米子哈伯德模型的专用量子模拟机奠定了坚实的基础。

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