我国取得量子计算第二阶段里程碑式进展 “天元”量子模拟器成功构建潘建伟、陈宇飞、姚星灿、邓友金等中国科技大学(以下简称“中国科技大学”)近日成功构建了超越经典计算机“天元”的量子模拟器,率先取得量子计算第二阶段的里程碑式进展。
“天元”量子模拟器是第一个超越经典计算机成本的超冷原子量子模拟器。相关研究成果于7月10日在国际学术期刊《自然》上发表(Nature)上。
国际学术界为量子计算的发展设定了三个阶段。陈宇飞教授介绍,随着谷歌“悬铃木”和中国科技大学“九章”系列、“祖冲”系列量子计算原型机的实现,“量子计算优越性”的第一阶段目标已经实现。
“实现专用量子模拟机解决费米哈伯德模型等重要科学问题是第二阶段,也是当前的主要研究目标。”陈宇飞说,因此,构建量子模拟器验证包含混合情况下的反铁磁变化是实现可以解决费米哈伯德模型的专用量子模拟机的第一步。在量子纠错的帮助下,实现一般容错量子计算机是第三阶段的目标。
“光晶格中的超冷原子有许多优点,是最有希望建立一个特殊的量子模拟机来解决费米哈伯德模型系统之一。”姚兴灿教授说,过去实验中光晶格强度不均匀和费米原子制冷的困难使反铁磁变化难以实现。
为了解决这些问题,研究小组在早期研究的基础上进一步开发了平顶光晶格技术,通过准确控制相互作用强度、温度和混合浓度,直接观察确凿的证据,首次验证了费米哈伯德模型在混合条件下的反铁磁变化。我国取得量子计算第二阶段里程碑式进展 “天元”量子模拟器成功构建
据介绍,这项工作首次展示了量子模拟在处理经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。
费米子哈伯德量子模拟器示意。红色和蓝色的球分别代表自旋相反的原子,它们在三维空间中交错排列,形成反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。(图:陈磊)
7月10日深夜,国际顶尖学术期刊《自然》发表论文:中国科技大学潘建伟、陈宇飞、姚星灿、邓友金等人成功构建了超冷原子量子模拟器,超越经典计算机模拟能力,首次验证了系统中的反铁磁变化。
本文展示了量子模拟器超越经典计算机的能力,也成为我国量子计算探索第二阶段的里程碑进展。《自然》杂志评论员评论说,这项工作“有望成为现代技术的里程碑和重大进展”。研究小组将量子模拟器命名为“天元”。
国际学界为量子计算的发展设定了三个阶段。
第一阶段是超越经典的超级计算机,实现“量子计算优势”。随着谷歌“悬铃木”和中国科技大学“九章”系列、“祖冲”系列量子计算原型机的实现,这一阶段已经实现。
第二阶段是实现专用量子模拟机,解决费米子哈伯德模型等重要科学问题。本文是现阶段国际研究的里程碑式成果。中国科技大学教授姚兴灿说:“早在2005年,费米子哈伯德模型量子模拟研究就开始在国际上进行,直到现在,反铁磁变化才真正实现。”。
电子是一种费米子,哈伯德模型是由英国科学家约翰·哈伯德于1963年提出的,是描述晶格中电子运动规律的最简化模型。“如果把电子比作鸡蛋,那么晶格就像一个放置鸡蛋的槽。”姚解释说,光晶格中的超冷原子是最有希望建立一个特殊的量子模拟机来解决费米哈伯德模型系统之一。我国取得量子计算第二阶段里程碑式进展 “天元”量子模拟器成功构建
反铁磁变化是指当系统温度降低到一定的临界压力时,材料中电子旋转方向突然混淆的顺磁状态,转化为电子旋转有序排列的反铁磁状态。这就要求量子模拟器满足两个关键条件:一是光晶格系统的空间强度分布均匀,二是温度足够低。
“在过去的20年里,很难同时满足这两个条件。”姚兴灿说,中国科技大学的团队花了十多年的时间,终于建立了一个量子模拟实验条件,以满足反铁磁变化的发生——系统包括约80万个网格点,比目前主流实验的数十个网格点的规模增加了数万倍,温度明显低于所需的临界压力。在此基础上,研究小组直接观察到了反铁磁变化的确凿证据。
近40年来,高温超导机制一直困扰着物理学界。科学界普遍认为,费米子哈伯德模型是有望解释的核心概念模型。然而,在一些参数环境中,经典的超级计算机已经无法准确地模拟该模型。要解决这个问题,我们需要利用量子模拟的优势。
这项工作促进了对费米子哈伯德模型的理解,为进一步解决这一模型奠定了基础,并首次展示了量子模拟在处理经典计算机无能的重要科学问题方面的巨大优势。姚星灿强调,目前的量子模拟器不能完全解决哈伯德模型的任务,“在未来,我们将开发更强大的量子模拟器来完全解决这个科学问题。”只有在那个时候,它才能大大促进高温超导机制的破解。
虽然量子计算发展的第三阶段是在量子纠错的帮助下实现通用容错量子计算机。但值得注意的是,理论研究发现,即使选择通用量子计算机,也很难准确地解决费米哈伯德模型。因此,构建能够解决该模型的量子模拟机,不仅是了解高温超导机制的有效途径,也是量子计算探索的重大进展。
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