2024年 7月10日，國際學術期刊【自然】雜誌發表了一項令人振奮的中國科研成果。來自中國科學技術大學的潘建偉、陳宇翺、姚星燦和鄧友金等科研團隊，成功構建了一個求解"費米子哈布特模型"的超冷原子量子模擬器。 首次驗證了該體系中的反鐵磁相變，向獲得費米子哈布特模型的低溫相圖、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。這一成就不僅標誌著中國在量子計算研究領域的重大進展，也為高溫超導研究帶來了新的希望。本期內容我們就來聊聊這個話題。
費米子哈布特模型是物理學中一個重要的理論模型，用於描述電子在晶格中相互作用的行為。它由物理學家約翰·哈布特在1963年提出，旨在解釋強關聯電子系統中的各種復雜現象，如磁性、超導性和相變等。該模型在凝聚態物理學和量子計算領域有著廣泛的套用，對於理解高溫超導體和其他復雜材料的物理性質具有重要意義。費米子哈布特模型的核心思想是將電子視為費米子，它們在一個離散的晶格上移動，並且彼此之間存在庫侖相互作用。該模型主要由兩個參數構成：躍遷能量（t）和相互作用能量（U）。躍遷能量 是指電子在晶格上從一個格點跳躍到相鄰格點的能量。它反映了電子的動能，描述了電子在晶格中的移動能力。較大的躍遷能量意味著電子更容易在晶格中移動，從而使得體系更具金內容質。
而相互作用能量是指兩個電子占據同一個格點時產生的相互排斥能量。它反映了電子之間的庫侖相互作用，描述了電子之間的排斥力。較大的相互作用能量意味著電子更傾向於避免占據同一個格點，從而使得體系更具絕緣性質。費米子哈布特模型的物理意義在於，它能夠捕捉到電子在強關聯系統中的競爭效應。具體來說，當相互作用能量很大時，電子之間的相互排斥作用主導，體系趨向於形成絕緣狀態，這被稱為莫特絕緣體。而當躍遷能量很大時，電子的動能主導，體系趨向於形成導電狀態。這種導電狀態下，如果電子之間存在某種配對機制，可能會形成超導態。費米子哈布特模型不僅可以描述簡單的金屬-絕緣體相變，還可以捕捉到更復雜的相變現象。例如，當溫度降低時，費米子哈布特模型可以出現反鐵磁相變，這是由於電子自旋的反平行排列形成的磁有序狀態。這種反鐵磁相變在高溫超導體的研究中具有重要意義，因為高溫超導體往往在低溫下表現出反鐵磁有序。
盡管費米子哈布特模型看似簡單，但由於其包含了強相互作用的量子多體效應，用經典電腦進行精確的數值模擬非常困難。這主要是因為電子數目增加時，狀態空間呈指數級增長，使得計算變得極為復雜。正因如此，量子模擬器成為研究費米子哈布特模型的一種有力工具。中國科學技術大學潘建偉、陳宇翺、姚星燦和鄧友金團隊透過構建求解費米子哈布特模型的超冷原子量子模擬器，取得了突破性進展。量子模擬器是一種利用可控量子系統模擬其他復雜量子系統的裝置。與經典電腦不同，量子模擬器能夠直接利用量子力學原理，處理涉及大量量子態的復雜問題。因此，它在處理諸如費米子哈布特模型等強關聯系統時，具有顯著優勢。費米子哈布特模型描述了電子在晶格中相互作用的行為，其復雜性使得經典電腦在低溫條件下模擬該模型面臨巨大挑戰。
透過量子模擬器，科學家可以直接模擬和觀察這些復雜現象，從而獲得更加準確和深入的理解。中國科學技術大學團隊利用超冷原子技術，成功構建了一台高精度的量子模擬器。超冷原子技術透過激光冷卻和磁光阱等方法，將原子冷卻到接近絕對零度的溫度。在如此低的溫度下，原子的熱運動幾乎停止，使其能夠精確地排列在光學晶格中，模擬電子在固體材料中的行為。透過這台量子模擬器，科研團隊首次成功驗證了費米子哈布特模型中的反鐵磁相變。這一發現具有重要的科學意義，因為反鐵磁相變是理解高溫超導和其他復雜量子現象的關鍵。反鐵磁相變指的是在低溫條件下，電子的自旋呈現出一種規律性的反向排列，從而形成磁有序狀態。這種狀態在高溫超導材料中經常出現，對其形成機制的理解有助於揭示高溫超導的本質。透過量子模擬器的實驗，研究人員可以精確觀察和測量反鐵磁相變的條件和特性，為理論研究提供了寶貴的數據支持。
高溫超導是凝聚態物理學中的一個重大未解之謎，盡管已經發現了許多高溫超導材料，但其形成機理仍不完全清楚。透過驗證反鐵磁相變，研究人員可以更深入地理解電子之間的相互作用和配對機制，這對於揭示高溫超導的本質具有重要意義。此次反鐵磁相變的首次驗證只是一個開始，隨著量子計算和量子模擬技術的不斷進步，我們有理由期待更多關於高溫超導、拓撲材料和自旋液體等前沿領域的重大突破。這些研究不僅在基礎科學方面具有重要意義，還將推動新材料和新技術的套用，為資訊科技、能源和醫學等領域帶來革命性變化。
目前，量子技術已成為國際大國競爭的重要戰略領域，各國都在加緊研發這一顛覆性技術，以期在未來的技術競賽中占據領先地位。面對這一激烈的競爭，中國科學技術大學的潘建偉教授表示：「我希望能夠結合國家實驗室建設的力量，集中全國的科研資源和智慧，攻克量子電腦這一尖端技術。」潘建偉預測，中國在未來的5至10年內，有望成功研發出幾台專用量子電腦，以滿足材料設計、化學研究、物理研究等領域的需求。 我們有理由相信，中國一定能夠在量子技術這一前沿領域取得領先地位，為國家和人類社會的發展作出更大的貢獻。 對此，你們怎麽認為呢？歡迎大家踴躍討論，感謝大家觀看，我是探索宇宙，我們下期再見。
