中國首次實現超越經典計算機的量子模擬器，有望推動高溫超導研究

7月10日，國際學術期刊《自然》雜誌發表中國重磅研究成果，中國科學技術大學潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金團隊成功構建了求解費米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經典計算機的模擬能力，首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，向獲得費米子哈伯德模型的低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導機理中的作用邁出重要的第一步。

中國科學技術大學陳宇翱教授對第一財經記者表示：“這項研究發現不僅具有重要的科學價值，也有巨大的潛在經濟效益，未來將推動以高溫超導爲代表的強關聯量子材料的機理研究。”

費米子哈伯德模型由英國物理學家約翰·哈伯德於1963年提出，是描述晶格中電子運動規律的最簡化模型，也被認爲是可能描述高溫超導材料的代表性模型之一。但由於其計算複雜度非常高，目前的超級計算機無法進行有效的數值模擬；且理論研究表明，即使採用通用量子計算機也難以準確求解費米子哈伯德模型。因此，構建可以求解該模型的量子模擬機，不僅是理解高溫超導機理的有效途徑，也是量子計算研究的重大突破。

“量子模擬指的是用一個人造的、精確可控的量子系統，來模擬其它複雜的量子系統。量子模擬主要用於解決經典計算無能爲力的重要科學問題，例如高溫超導材料背後的物理機制，只有理解了機制，我們才能夠規模化設計、生產和應用這些新型的材料。”中國科學技術大學姚星燦教授對第一財經記者表示。

高溫超導材料是近年來科學界關注的熱門研究領域，有望在電力傳輸、醫學、超算等領域產生變革性影響。但目前對於高溫超導材料背後的物理機制尚不明確，難以實現有效可控的規模化製備和應用。全球的科學家都在爲之努力。而中國此次的研究成果，意味着我國在使用超冷原子專用量子模擬研究高溫超導機理方面處於全球領先水平。

在中國科大潘建偉院士的帶領下，我國已經構建了“九章”系列、“祖沖之號”系列量子計算原型機，實現了“量子優越性”里程碑，量子技術發展的下一個重要里程碑是實現專用量子模擬機，在這一過程中，以求解諸如費米子哈伯德模型這一類重要科學問題，是當前的主要研究目標。因此，最新的研究成果也標誌着我國正式進入量子計算研究的第二個里程碑階段。

陳宇翱對第一財經記者表示，此次成果歷時十餘年攻關，但僅僅是取得了費米子哈伯德模型第一階段研究的突破，也就是驗證了反鐵磁相變。未來在這一平臺上，團隊還有兩個階段的研究計劃，下一個階段是在三維光晶格中實現費米子單帶超流，該研究難度更大，並且理論預言缺乏一致性，通過對它的研究能夠幫助我們理解晶格中的電子是如何配對以及凝聚爲超導的；最後一個階段是通過量子態的絕熱演化技術實現對反鐵磁態的摻雜，在類似高溫超導材料的參數條件下，研究量子磁性在高溫超導機理中的作用。這一階段的研究難度最大，未知程度最高。

潘建偉曾表示，量子信息各研究領域都存在一些最需要突破的關鍵點，“十四五”期間的重點任務是構建完整的天地一體廣域量子通信網絡技術體系，併力爭造出真正“有用”的專用量子模擬機，爲實現通用量子計算機奠定基礎。

目前，量子技術已經成爲大國競爭的重要戰略領域，面對未來激烈的競爭，潘建偉表示：“我希望結合國家實驗室建設，集中全國力量去攻克量子計算機，突破國外的封鎖。”

他保守預測，我國用5至10年時間，能夠造出幾臺解決材料設計、化學研究、物理研究等需求的專用量子計算機。