发布时间：2024-11-09 12:53:29 来源: sp20241109
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，为理解高温超导机制奠定了重要基础。这一研究成果于10日在国际学术期刊《自然》上发表。
总台央视记者 帅俊全：这里就是中国科学院量子创新研究院，在这个实验室里面，我们现在所看到的涉及激光、真空、电子学等不同门类的数千个器件组成的一台装置，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是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。
中国科学技术大学教授 陈宇翱：费米子哈伯德模型是目前描述电子运动的一个最简单模型。反铁磁的状态是无论从哪个方向上看，它的自旋一个朝上一个朝下，表现是即便是金属，外面有个磁铁去吸它，它是完全就没有任何的反应。
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。
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是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，让传统计算机本身是没办法解决的，当用了我们的量子模拟机之后就可以解决，按照我们同行的评价，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？我们来看专家的解读。
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：我们其实2011年开始考虑这个方向，然后到2012年开始建这个实验装置，大概花了11年的时间，到去年底，这些参数都能够满足费米子哈伯德模型的相关参数的要求了。去年底我们开始测各种各样的实验数据，这个实验数据是以非常清晰的数据表明在费米子哈伯德模型里面确实可以有非常好的反铁磁的相变。
潘建伟介绍，实现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，我们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的测量和表征。
中国科学技术大学教授 姚星灿：在这个工作中，我们主要发展了三个方面的技术，针对这三个难点，涉及量子模拟体系的构建，我们第一步是利用一个光学的盒子，然后把一个个的费米原子装进盒子里面，在这个盒子里面我们可能有80万个原子，慢慢地把光晶格的光场打开，这个时候原子就会自动地一个个填到光晶格里边，当体系温度足够低的时候，这些原子之间就会形成交错的这样的排列，也就是反铁磁状态。
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来走进神奇的量子世界。
我们知道构成物质的最小单元是基本粒子。那么量子，就是质量、能量等各种物理量的最小单元，而且它也要以某种粒子状态存在。我们看到的光，其实是以光子为单位一份一份变化的。我们大可以打开脑洞，想象一下，我们一举手投足间，一个呼吸，就有上万亿的量子在移动。
最早，量子是被一个叫普朗克的德国物理学家在1900年提出来的。后来陆陆续续经过爱因斯坦等许多科学家的共同努力，量子科学体系不断完善。
神奇的量子有两个怪癖，不可分割、不可克隆。我们就是利用量子的这两个怪癖，可以制作出最安全的保密钥匙，可以让我们的信息传输变得更安全。
说到量子，它还有两个堪称神奇的绝技，就是分身术和远程心灵感应。别小看这两门功夫，要知道最强悍的量子计算机和最安全的量子通信，关键靠的就是它们。
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，首先一个应用就是帮我们的计算机实现并行计算。这能力有多强，大家可以想象一下几十个孙悟空打妖怪。举个例子，如果我们分解一个300位的大数，用现在的计算机，需要15万年，用量子的分身术帮我们并行运算，只要一秒钟就可以算出来。
构建专用量子模拟机
抢占科技制高点
如果把经典计算比做自行车，量子计算与量子模拟就好像是飞机。那么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，科研团队将会如何构建专用量子模拟机、抢占科技制高点呢？继续来看专家的解读。
上个世纪八十年代，理论物理学家分别提出了量子模拟、量子计算的概念。随着计算机和信息学的发展和兴起，以“祖冲之号”“九章号”为代表的量子计算机在解决特定问题上的计算能力已经远远超出超级计算机，实现了量子计算优越性，正在向实现专用的量子模拟机、解决重要科学问题的下一阶段转型。
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：我们在量子计算研究的领域，为了最终实现通用的可编程量子宏伟的目标，我们整个领域把它分成三个阶段。
第一个阶段是量子计算优越性，就是你要造出一台就是说量子计算机的原型机来在计算某些特定的问题上，能比传统的超级计算机快，传统超级计算机算不动。这个目标我们中国科学家的“九章号”和“祖冲之号”在2020年和2021年都已经先后完成了；
第二个目标是利用专用的量子模拟机来解决一些传统的超级计算机没办法解决的又具有重大科学意义的问题。所以其实我们基于超冷原子量子模拟机的构建来实现费米子哈巴德模型的反铁磁相变，走出了构建专用量子模拟机来做一些超算所做不了的重要的一步，打开了第二个里程碑的大门，然后就可以到里面去探索很多东西了；
第三步是在前面这些过程完成的基础之上，通过量子纠错来构建可容错的通用量子计算机，但后面这个目标我们也在努力，希望能够经过10年左右的时间来实现最终通用量子计算的目标。
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。
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：对于费米子哈伯德模型，我们的目标是希望一步一步往前做，我们就可以看看到底能不能把整个相变相图完整的找出来。那么这个相图就相当于你要进行材料的合成需要有个地图，它属于什么条件，就可以得到什么性质的材料。所以如果真的能够把这相图给测出来的话，那么对高温超导机理的研究是会具有非常重要的意义的。 【编辑:李润泽】