我國量子計算研究取得重大進展。中國科學技術(shù)大學潘建偉院士團隊近日成功構(gòu)建了求解一種特定科學模型的量子模擬器，首次觀測到該體系中的特殊現(xiàn)象——反鐵磁相變，實現(xiàn)了超越經(jīng)典計算機的模擬能力，為理解高溫超導機制奠定了重要基礎(chǔ)。這一研究成果于10日在國際學術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
總臺央視記者 帥俊全：這里就是中國科學院量子創(chuàng)新研究院，在這個實驗室里面，我們現(xiàn)在所看到的涉及激光、真空、電子學等不同門類的數(shù)千個器件組成的一臺裝置，就是科研團隊最新成功構(gòu)建的超冷原子量子模擬器，它對于求解某一特定科學問題的計算能力是已經(jīng)遠遠超出了經(jīng)典計算機。
量子模擬，就是利用人造可控的量子系統(tǒng)，在量子的微觀世界里模擬一些經(jīng)典情況下很難計算或者實現(xiàn)的情況。在本次研究中，中國科學技術(shù)大學科研團隊在實驗室里搭建了一個超冷原子量子模擬器，并且成功利用這個量子模擬器，實現(xiàn)了有望描述高溫超導機理的一種重要理論模型預言的反鐵磁狀態(tài)。
中國科學技術(shù)大學教授 陳宇翱：費米子哈伯德模型是目前描述電子運動的一個最簡單模型。反鐵磁的狀態(tài)是無論從哪個方向上看，它的自旋一個朝上一個朝下，表現(xiàn)是即便是金屬，外面有個磁鐵去吸它，它是完全就沒有任何的反應。
據(jù)介紹，費米子哈伯德模型被認為是有希望解釋高溫超導機理這一困擾物理學界近四十年難題的核心物理模型。一旦理解了它的物理機制，就能夠規(guī)?；卦O(shè)計、生產(chǎn)和應用新型的高溫超導材料，在電力傳輸、醫(yī)學、超算等領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。
可操控80萬個格點 提升4個數(shù)量級
目前國際上主流的求解費米子哈伯德模型的量子模擬實驗只能同時操控幾十個原子，中國科學技術(shù)大學科研團隊最新構(gòu)建的量子模擬器能夠同時操控大約80萬個格點，提升了4個數(shù)量級。
中國科學院院士 中國科學技術(shù)大學教授 常務(wù)副校長 潘建偉：從某種意義上講，我們最近的成果相當于是實現(xiàn)了量子計算領(lǐng)域里第二步的重要的一步，我們把大門給打開了，終于證實了可以構(gòu)建某類特殊的量子模擬機，來做某些在科學上有重要意義的事情，讓傳統(tǒng)計算機本身是沒辦法解決的，當用了我們的量子模擬機之后就可以解決，按照我們同行的評價，是在走向量子模擬機里面的一個非常重要的里程碑性的工作。
攻關(guān)十余載
開啟構(gòu)建專用量子模擬機大門
經(jīng)過十多年的持續(xù)攻關(guān)，科研團隊終于成功構(gòu)建超越經(jīng)典計算機的量子模擬器，也打開了構(gòu)建專用量子模擬機的大門。這扇全新大門的開啟究竟有多難？又有怎樣的意義呢？我們來看專家的解讀。
中國科學院院士 中國科學技術(shù)大學教授 常務(wù)副校長 潘建偉：我們其實2011年開始考慮這個方向，然后到2012年開始建這個實驗裝置，大概花了11年的時間，到去年底，這些參數(shù)都能夠滿足費米子哈伯德模型的相關(guān)參數(shù)的要求了。去年底我們開始測各種各樣的實驗數(shù)據(jù)，這個實驗數(shù)據(jù)是以非常清晰的數(shù)據(jù)表明在費米子哈伯德模型里面確實可以有非常好的反鐵磁的相變。
潘建偉介紹，實現(xiàn)純凈的費米子哈伯德量子模擬器主要有三大難點，首先是要將系統(tǒng)降低到足夠低的溫度，只有降低到足夠低的溫度，我們才能去研究高溫超導等物理狀態(tài)；另一個難點是要實現(xiàn)足夠大且均勻的體系，因為非均勻性會導致系統(tǒng)內(nèi)多種狀態(tài)共存，從而干擾想要研究的對象狀態(tài)。最后，是需要發(fā)展新型的測量手段，對量子模擬器實現(xiàn)的狀態(tài)進行精確的測量和表征。
中國科學技術(shù)大學教授 姚星燦：在這個工作中，我們主要發(fā)展了三個方面的技術(shù)，針對這三個難點，涉及量子模擬體系的構(gòu)建，我們第一步是利用一個光學的盒子，然后把一個個的費米原子裝進盒子里面，在這個盒子里面我們可能有80萬個原子，慢慢地把光晶格的光場打開，這個時候原子就會自動地一個個填到光晶格里邊，當體系溫度足夠低的時候，這些原子之間就會形成交錯的這樣的排列，也就是反鐵磁狀態(tài)。
神奇的量子
眾所周知，世間萬物包括我們?nèi)祟愖陨矶际怯晌⒂^粒子組成的，這是一個被稱為“量子世界”的神秘地帶，它遵循著讓人匪夷所思的一套“另類法則”。那么，量子究竟是什么？又有哪些特性呢？下面就通過一個短片來走進神奇的量子世界。
我們知道構(gòu)成物質(zhì)的最小單元是基本粒子。那么量子，就是質(zhì)量、能量等各種物理量的最小單元，而且它也要以某種粒子狀態(tài)存在。我們看到的光，其實是以光子為單位一份一份變化的。我們大可以打開腦洞，想象一下，我們一舉手投足間，一個呼吸，就有上萬億的量子在移動。
最早，量子是被一個叫普朗克的德國物理學家在1900年提出來的。后來陸陸續(xù)續(xù)經(jīng)過愛因斯坦等許多科學家的共同努力，量子科學體系不斷完善。
神奇的量子有兩個怪癖，不可分割、不可克隆。我們就是利用量子的這兩個怪癖，可以制作出最安全的保密鑰匙，可以讓我們的信息傳輸變得更安全。
說到量子，它還有兩個堪稱神奇的絕技，就是分身術(shù)和遠程心靈感應。別小看這兩門功夫，要知道最強悍的量子計算機和最安全的量子通信，關(guān)鍵靠的就是它們。
量子的分身術(shù)也叫量子疊加，就是一個量子可以同時存在好幾種狀態(tài)，首先一個應用就是幫我們的計算機實現(xiàn)并行計算。這能力有多強，大家可以想象一下幾十個孫悟空打妖怪。舉個例子，如果我們分解一個300位的大數(shù)，用現(xiàn)在的計算機，需要15萬年，用量子的分身術(shù)幫我們并行運算，只要一秒鐘就可以算出來。
構(gòu)建專用量子模擬機
搶占科技制高點
如果把經(jīng)典計算比做自行車，量子計算與量子模擬就好像是飛機。那么量子計算與量子模擬國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如何？新的大門開啟之后，科研團隊將會如何構(gòu)建專用量子模擬機、搶占科技制高點呢？繼續(xù)來看專家的解讀。
上個世紀八十年代，理論物理學家分別提出了量子模擬、量子計算的概念。隨著計算機和信息學的發(fā)展和興起，以“祖沖之號”“九章號”為代表的量子計算機在解決特定問題上的計算能力已經(jīng)遠遠超出超級計算機，實現(xiàn)了量子計算優(yōu)越性，正在向?qū)崿F(xiàn)專用的量子模擬機、解決重要科學問題的下一階段轉(zhuǎn)型。
中國科學院院士 中國科學技術(shù)大學教授 常務(wù)副校長 潘建偉：我們在量子計算研究的領(lǐng)域，為了最終實現(xiàn)通用的可編程量子宏偉的目標，我們整個領(lǐng)域把它分成三個階段。
第一個階段是量子計算優(yōu)越性，就是你要造出一臺就是說量子計算機的原型機來在計算某些特定的問題上，能比傳統(tǒng)的超級計算機快，傳統(tǒng)超級計算機算不動。這個目標我們中國科學家的“九章號”和“祖沖之號”在2020年和2021年都已經(jīng)先后完成了；
第二個目標是利用專用的量子模擬機來解決一些傳統(tǒng)的超級計算機沒辦法解決的又具有重大科學意義的問題。所以其實我們基于超冷原子量子模擬機的構(gòu)建來實現(xiàn)費米子哈巴德模型的反鐵磁相變，走出了構(gòu)建專用量子模擬機來做一些超算所做不了的重要的一步，打開了第二個里程碑的大門，然后就可以到里面去探索很多東西了；
第三步是在前面這些過程完成的基礎(chǔ)之上，通過量子糾錯來構(gòu)建可容錯的通用量子計算機，但后面這個目標我們也在努力，希望能夠經(jīng)過10年左右的時間來實現(xiàn)最終通用量子計算的目標。
據(jù)介紹，目前全球數(shù)十家科研團隊都在開展利用量子模擬求解各種科學模型的科研攻關(guān)。中國科學技術(shù)大學科研團隊此次構(gòu)建的量子模擬器，在國際上首次展現(xiàn)了超冷原子量子模擬擁有超越經(jīng)典計算機的能力，也為構(gòu)建能夠求解費米子哈伯德模型的專用量子模擬機奠定了堅實的基礎(chǔ)。
中國科學院院士 中國科學技術(shù)大學教授 常務(wù)副校長 潘建偉：對于費米子哈伯德模型，我們的目標是希望一步一步往前做，我們就可以看看到底能不能把整個相變相圖完整的找出來。那么這個相圖就相當于你要進行材料的合成需要有個地圖，它屬于什么條件，就可以得到什么性質(zhì)的材料。所以如果真的能夠把這相圖給測出來的話，那么對高溫超導機理的研究是會具有非常重要的意義的。