“有望成为当代科技的里程碑和要紧突破！”“是实验的极品苏畅 麻豆，是期待已久的设立！”

究竟是若何的科研恶果，能让《天然》期刊的审稿东谈主发出如斯的惊羡呢？

这项恶果来自中国科学时期大学一群特出的科学家，他们成效研制了一台名为“天元”的量子模拟器。这台量子模拟器之是以引东谈主瞩目，是因为它粗略处理一个长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，这意味着它的模拟才智远远超越了咱们普通使用的经典盘算推算机。更令东谈主抖擞的是，它初次达成了对一种被称为“反铁磁相变”的垂危物理局势的实验考据，这记号着咱们过问了一个全新的量子科学时期。

这项责任的意旨远远超出了咱们现在的思象。它不仅为科学家们提供了一种全新的器用来探索低温下的相当物理行径，还匡助咱们更深入地和解了高温超导等复杂局势。这不仅为科学研究开辟了新的视线，也为改日的时期翻新打下了坚实的基础。

推测研究恶果以“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（图片着手：参考文件1）

“费米子-哈伯德模子”：从简却不浅近的物理模子

你是否也曾酷爱，为什么铁能招引小磁铁，而木头却不行？天然科学家们对这个问题还是有了一些了解，但磁性的纷乱面纱仍然莫得完全揭开。

科学家们无数以为，磁性的纷乱藏在材料里面电子的互相作用中。思象一下，电子在原子的舞台上跳着一支复杂的跳舞，它们的每一个作为都影响着统共这个词军队的和谐。但在现实寰宇中，这场跳舞太过复杂，咱们用传统法子难以完全捕捉。

尽管咱们知谈谜底藏在电子的互相作用中，但要揭开这层纷乱的面纱，咱们需要一把钥匙，这把钥匙似乎被避讳在复杂的盘算推算之中。

天然复杂，但咱们不可毁灭。在电子的奇妙寰宇里，电子之间的互相作用不仅决定了材料的基本特色，还催生了如高温超导、量子相变等令东谈主咋舌的物理局势。为了探索这些局势，咱们引入了“费米子-哈伯德模子”。

1963年，物理学家约翰·哈伯德提议了一个神态电子在晶格中行径的模子，这里的“晶格”是指原子按照一定的律例摆列的空间结构。这个模子并不复杂，它只是将电子的行径简化为两种：一种是电子在相邻晶格间的跨越，另一种是消失晶格点内电子间的抹杀力。尽管模子浅近，但它能解释好多复杂局势，包括咱们对高温超导的和解。

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。跟着晶格点的增多，盘算推算的难度也会急剧上涨，即使是最广大的超等盘算推算机也感到力不从心。

但这并不料味着咱们无法可想。早在40多年前，物理学家理查德·费曼提议了一个果敢的思法：为什么抵御直用量子系统来模拟这些复杂的量子局势呢？这么，咱们就不错绕过那些辣手的数值盘算推算，平直探索量子寰宇的奥秘。

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行径时，遭受了传统盘算推算法子的局限。为了克服这些勤勉，他们接受了理查德·费曼的前瞻性建议，开动构建一种全新的器用——量子模拟器。这个量子模拟器粗略精准模拟电子在晶格中的行径，匡助咱们更深入地和解“费米子-哈伯德模子”。

在盛大东谈主造量子体系中，三维光晶格中的超冷原子因其纯净和可控性而成为模拟的理思选拔。思象一下，“三维光晶格”就像是用光编织出的无缺空间格架，每个点都是精准扫尾的节点。“超冷原子”则是通过激光冷却时期实在静止在这些光晶格中的原子。

构建量子模拟器的经过不错简化为三个尺度：

1）诈欺三束正交的激光创造出均匀漫衍的三维光晶格，就像是在空间中画出一个个无缺的小盒子，为电子提供“舞台”。

2）将原子冷却到接近都备零度，并将它们玄妙地安置在光晶格中，准备开动它们的“演出”。

3）不雅察舞台上的“奇妙物理局势”——反铁磁相变，以考据模子的准确性。

“反铁磁相变”可能听起来复杂，但其试验是：在低温下，材料里面的电子自旋倾向于指向相背地点，酿成褂讪景况；但当温度上涨，这种有序摆列会被冲破，磁性也会随之更变。

尽管“费米子-哈伯德模子”还是提议多年，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汰到极低，以确保模拟的准确性。

如若粗略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经过，这不仅考据了高温超导机制表面，亦然和解这一局势的关节一步。

量子模拟范畴的要紧突破

探索磁性的奥秘，就像登攀珠穆朗玛峰雷同，每一步都充满了未知和挑战。即就是像“反铁磁相变”这么听起来很专科的观念，在实验中也从未获取过考据。更毋庸说，在掺杂景况下模拟这种相变，这在传统超等盘算推算机看来实在是不可能的任务。

但是，中国科学时期大学的潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等科学家们勇敢地迎接了这一挑战。他们玄妙地勾通了先进的时期，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，范畴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。经常，实验中构造的光晶格体系老是存在势阱不均匀的问题，就像是在抵御坦的大地上开垦房屋。但“盒型光势阱”时期就像是给光晶格体系作念了一次“整形手术”，让每个势阱都变得规整，为电子提供了一个无缺的舞台。

“平顶光晶格”时期进一步优化了实验经过，通过细巧攻击激光，它使得光晶格的中心区域愈加均匀，就像是在抵御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漫衍的空间。

在此基础上，研究团队进一步裁汰了势阱中的强度噪声，并优化了超冷原子的装载经过。这就像是在凉爽的冬日里，为原子们提供了一个良善而适意的家，确保它们粗略在最好景况下进行实验。

最终，科学家们成效构建出了理思的超冷原子量子模拟器。在这个模拟器中，科学家们粗略精准地调控每一个参数，终于不雅察到了阿谁期盼已久的局势——反铁磁相变。这不单是是对表面的考据，更是对高温超导物理机制探索的一次垂危突破。

这项研究不仅辞寰宇上初次成效考据了“费米子-哈伯德模子”的反铁磁相变（包括掺杂景况下的情况），更为咱们和解高温超导的物理机制提供了坚实的实验基础。

这项研究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，为咱们对天然界深档次和解的探索带来了新的但愿和地点。

大步迈入量子2.0的时期

这项突破性的研究恶果不仅是科学界的一次光芒获胜，更记号着量子盘算推算范畴迈出了垂危一步。它向寰宇解释了量子系统不单是表面上的古迹，它们还是展现出了超越传统盘算推算机的才智，粗略贬责现实寰宇中的复杂问题。

它为科学家们提供了一个理思的研究平台，使他们粗略更深入地探索凝合态物理中的勤勉。它像是大开了一扇通往未知寰宇的大门，让咱们得以窥见电子之间强关联互相作用的奥秘。

跟着超冷原子量子模拟器性能的抑制熏陶，咱们多情理笃信，改日它不单是会成为考据反铁磁相变的器用，更将成为探索各式奇异物理局势的利器。它将匡助咱们揭开高温超导、量子相变等物理局势的纷乱面纱，让咱们对电子之间的互相作用有更长远的和解。

这项研究的成效，不单是是对现存科学表面的一次考据，更是对改日科学探索的一次果敢预言。它预示着量子盘算推算将在改日饰演愈加垂危的脚色，成为贬责科学勤勉、鼓动时期进步的关节力量，让咱们感受到了量子寰宇的无尽可能。

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