我国首次成功构建超越经典计算机的量子模拟器

我国首次成功构建超越经典计算机的量子模拟器 经过十多年科研攻关，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，朝向获得该模型低温相图、理解高温超导机理迈出了重要的第一步，也全新打开了构建专用量子模拟机的大门。相关研究成果于 7 月 10 日在国际学术期刊《自然》发表。

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器

潘建伟团队成功构建求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器 相关研究成果于7月10日在线发表在国际学术期刊《自然》杂志上。“天元”量子模拟器示意。红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体。原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中。据介绍，费米子哈伯德模型是晶格中电子运动规律的最简化模型，被认为是有希望解释高温超导机理这一困扰物理学界近四十年难题的核心物理模型。一旦理解其物理机制，就能够规模化地设计、生产和应用新型的高温超导材料，在电力传输、医学、超算等领域产生变革性影响。潘建伟院士介绍，量子计算为求解若干经典计算机难以胜任的计算难题提供了全新的方案。此次潘建伟院士团队结合前期研究成果，实现了最低温度的均匀费米简并气体制备，满足了实现反铁磁相变所需要的低温。并进一步创造性地将盒型光势阱和平顶光晶格技术相结合，实现了空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。在此基础上，研究团队通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，成功构建出求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，直接观察到反铁磁相变的确凿证据自旋结构因子在相变点附近呈现幂律的临界发散现象。从而首次验证了费米子哈伯德模型包括掺杂条件下的反铁磁相变。该工作推进了对费米子哈伯德模型的理解，不仅是理解高温超导机理的有效途径，也是量子计算研究的重大突破。 ... PC版： 手机版：

经过十多年科研攻关，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，以超越经典计算机的模拟能力

经过十多年科研攻关，中国科学技术大学潘建伟院士团队成功构建了求解费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟器，以超越经典计算机的模拟能力首次验证了该体系中的反铁磁相变，朝向获得该模型低温态相图、理解高温超导机理迈出了重要的第一步，也全新打开了构建专用量子模拟机的大门。相关研究成果于 7 月 10 日在国际学术期刊《自然》发表。（央视新闻）

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态

中国科大首次实现光子的分数量子反常霍尔态 成果示意图。16个非线性“光子盒”阵列囚禁的微波光子强相互作用形成分数量子反常霍尔态。霍尔效应是指当电流通过置于磁场中的材料时，电子受到洛伦兹力的作用，在材料内部产生垂直于电流和磁场方向的电压。反常霍尔效应是指无需外部磁场的情况下观测到相关效应。分数量子霍尔态展现出非平庸的多体纠缠，对其研究所衍生出的拓扑序、复合费米子等理论成果逐渐成为多体物理学的基本模型。与此同时，分数量子霍尔态可激发出局域的准粒子，这种准粒子具有奇异的分数统计和拓扑保护性质，有望成为拓扑量子计算的载体。传统的量子霍尔效应实验研究采用“自顶而下”的方式，即在特定材料的基础上，利用该材料已有的结构和性质实现制备量子霍尔态。通常情况下，需要极低温环境、极高的二维材料纯净度和极强的磁场，对实验要求较为苛刻。此外，传统“自顶而下”的方法难以对系统微观量子态进行单点位独立地操控和测量，一定程度上限制了其在量子信息科学中的应用。人工搭建的量子系统结构清晰，灵活可控，是一种“自底而上”研究复杂量子物态的新范式。其无需外磁场，通过变换耦合形式即可构造出等效人工规范场；通过对系统进行高精度可寻址的操控，可实现对高集成度量子系统微观性质的全面测量，并加以进一步可控的利用。这类技术被称为量子模拟，是“第二次量子革命”的重要内容，有望在近期应用于模拟经典计算困难的量子系统并达到“量子计算优越性”。据介绍，此前，国际上已经基于其开展了一些合成拓扑物态、研究拓扑性质的量子模拟工作。然而，由于以往系统中耦合形式和非线性强度的限制，人们一直未能在二维晶格中为光子构建人工规范场。为解决这一重大挑战，研究团队在国际上自主研发并命名了一种新型超导量子比特Plasmonium，打破了目前主流的Transmon（传输子型）量子比特相干性与非简谐性之间的制约，用更高的非简谐性提供了光子间更强的排斥作用。进一步，团队通过交流耦合的方式构造出作用于光子的等效磁场，使光子绕晶格的流动可积累Berry（贝里）相位，解决了实现光子分数量子反常霍尔效应的两个关键难题。同时，这样的人造系统具有可寻址、单点位独立控制和读取，以及可编程性强的优势，为实验观测和操纵提供了新的手段。在该项工作中，研究人员观测到了分数量子霍尔态独有的拓扑关联性质，验证了该系统的分数霍尔电导。同时，他们通过引入局域势场的方法，跟踪了准粒子的产生过程，证实了准粒子的不可压缩性质。《科学》杂志审稿人高度评价这一工作，认为这一工作“是利用相互作用光子进行量子模拟的重大进展”“一种新颖的局域单点控制和自底而上的途径”。诺贝尔物理学奖得主Frank Wilczek评价，这种“自底而上”、用人造原子构建哈密顿量的途径是一个“非常有前途的想法”，这是一个令人印象深刻的实验，为基于任意子的量子信息处理迈出了重要一步。沃尔夫奖获得者Peter Zoller评价，“这在科学和技术上都是一项杰出的成就” “实现这样的目标是多年来全球顶级实验室竞争的量子模拟的圣杯之一”。 ... PC版： 手机版：

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性

量子气体显微镜QUIONE利用开创性的锶显微技术深入研究材料的微观特性 量子物理学需要高精度传感技术来深入研究材料的微观特性。从最近出现的模拟量子处理器来看，所谓的量子气体显微镜已被证明是在原子层面了解量子系统的强大工具。这些设备可以产生分辨率极高的量子气体图像：它们可以检测到单个原子。现在，ICFO研究人员（西班牙巴塞罗那）Sandra Buob、Jonatan Höschele、Vasiliy Makhalov博士和Antonio Rubio-Abadal博士，在ICFO的ICREA教授Leticia Tarruell的领导下，解释了他们是如何制造出自己的量子气体显微镜的，该显微镜以希腊雪女神命名为QUIONE。该小组的量子气体显微镜是世界上唯一一台对锶量子气体的单个原子进行成像的显微镜，也是西班牙第一台此类显微镜。除了可以分辨单个原子的极具冲击力的图像之外，QUIONE 的目标是量子模拟。正如 ICREA 教授 Leticia Tarruell 所解释的那样："量子模拟可以用来将非常复杂的系统归结为更简单的模型，进而理解当前计算机无法回答的开放性问题，例如为什么有些材料即使在相对较高的温度下也能无损耗地导电"。玻璃池图片，中间为锶气云 图源：ICFOICFO 小组在这一领域的研究获得了国家层面（西班牙皇家物理学会的奖励，以及 BBVA 基金会、Ramón Areces 基金会、La Caixa 基金会和 Cellex 基金会的项目和赠款）和欧洲层面（包括一个 ERC 项目）的支持。此外，作为加泰罗尼亚政府推广量子技术承诺的一部分，QUIONE 还得到了加泰罗尼亚政府通过企业与工作部数字政策秘书处提供的共同资助。这项实验的奇特之处在于，他们成功地将锶气体带入量子态，将其置于光学晶格中，使原子可以通过碰撞产生相互作用，然后应用单原子成像技术。这三个因素加在一起，使 ICFO 的锶量子气体显微镜在同类产品中独一无二。实验室地图和量子模拟器的位置。资料来源：ICFO为什么是锶？迄今为止，这些显微镜装置依赖于锂和钾等碱性原子，与锶等碱土原子相比，锂和钾的光学光谱特性更为简单。这意味着在这些实验中，锶可以提供更多的成分。事实上，近年来，锶的独特性质使其成为量子计算和量子模拟领域非常受欢迎的应用元素。例如，锶原子云可以用作原子量子处理器，从而解决目前经典计算机所无法解决的问题。总之，ICFO 的研究人员看到了锶在量子模拟方面的巨大潜力，他们开始着手制造自己的量子气体显微镜。QUIONE 就是这样诞生的。实验室中的团队。从左至右Sandra Buob、Antonio Rubio-Abadal、Vasiliy Makhalov、Jonatan Höschele 和 Leticia Tarruell。资料来源：ICFO为此，他们首先降低了锶气体的温度。利用几束激光的作用力，原子的速度可以降低到几乎不动的程度，几乎不移动，在短短几毫秒内就能将温度降低到几乎绝对零度。然后，量子力学定律就会支配它们的行为，原子就会显示出量子叠加和纠缠等新特征。之后，在特殊激光器的帮助下，研究人员激活了光晶格，使原子沿着空间排列成网格状。"你可以把它想象成一个鸡蛋盒，其中的各个位置实际上就是你放鸡蛋的地方。但我们用原子代替了鸡蛋，用光学晶格代替了纸盒，"文章的第一作者桑德拉-布布解释说。"蛋杯"中的原子相互影响，有时会发生量子隧道效应，从一个地方移动到另一个地方。原子间的这种量子动力学模拟了某些材料中电子的量子动力学。因此，对这些系统的研究有助于理解某些材料的复杂行为，而这正是量子模拟的关键理念。气体和光学晶格准备就绪后，研究人员立即用显微镜拍摄了图像，终于可以逐个原子地观察锶量子气体了。至此，"QUIONE"的建造工作已经取得了成功，但它的创造者们还想从中获得更多。因此，除了照片之外，他们还拍摄了原子的视频，并能够观察到，虽然原子在成像过程中应该保持静止，但它们有时会跳到附近的晶格部位。这可以用量子隧道现象来解释。"原子从一个位置"跳"到另一个位置。这是非常美丽的景象，因为我们亲眼目睹了原子固有量子行为的直接表现。最后，研究小组利用他们的量子气体显微镜证实，锶气体是一种超流体，一种没有粘性的物质流动的量子相。"我们突然关闭了晶格激光器，这样原子就可以在空间膨胀并相互干涉。由于超流体中原子的波粒二象性，这就产生了干涉图案。"安东尼奥-鲁比奥-阿巴达尔博士解释说："当我们的设备捕捉到它时，我们验证了样品中超流体的存在。""对于量子模拟来说，这是一个非常激动人心的时刻，"ICREA 教授莱蒂西亚-塔鲁埃尔（Leticia Tarruell）说。"现在，我们的量子气体显微镜中又增加了锶，也许不久之后我们就能模拟更复杂、更奇特的材料。新的物质相有望出现。我们还期望获得更强的计算能力，将这些机器用作模拟量子计算机。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像

麻省理工学院物理学家首次捕捉到超流体"第二声音"的直接图像 麻省理工学院的物理学家首次捕捉到了"第二声音"的直接图像，即在超流体中来回晃动的热量运动。这些成果将拓展科学家对超导体和中子星中热流的理解。资料来源：Jose-Luis Olivares，麻省理工学院麻省理工学院的秒声可视化技术为理解超流体中热量的波状行为及其对各种物质状态的影响开辟了新的道路，拓展了科学家对超导体和中子星中热流的理解。新图像揭示了热量如何像波浪一样来回"晃动"，即使材料的物理物质可能以完全不同的方式运动。这些图像捕捉到了热量的纯粹运动，与材料的粒子无关。"这就好比你有一缸水，让其中一半几乎沸腾，"助理教授理查德-弗莱彻打了个比方。"如果你接着观察，水本身可能看起来完全平静，但突然另一边热了，然后另一边又热了，热量来回流动，而水看起来完全静止。"在托马斯-弗兰克物理学教授马丁-茨维尔莱因（Martin Zwierlein）的领导下，研究小组将超流体中的秒声进行了可视化。超流体是一种特殊的物质状态，当一团原子被冷却到极低的温度时就会产生超流体，此时原子开始像完全无摩擦的流体一样流动。在这种超流体状态下，理论家们预测热量也应该像波浪一样流动，不过科学家们直到现在才能够直接观察到这种现象。简单动画中描述的第一种声音是密度波形式的普通声音，其中正常流体和超流体一起振荡。图片来源：研究人员提供第二种声音是热量的运动，超流体和普通流体相互"撞击"，同时保持密度不变。图片来源：研究人员提供最近在《科学》杂志上发表的这项新成果将帮助物理学家更全面地了解热量是如何在超流体和其他相关材料（包括超导体和中子星）中流动的。"我们这团比空气稀薄一百万倍的气体与高温超导体中电子的行为，甚至是超密集中子星中的中子的行为之间存在着紧密的联系，"Zwierlein 说。"现在，我们可以纯粹地探测我们系统的温度响应，这让我们了解到一些很难理解甚至很难触及的东西。"Zwierlein和Fletcher在这项研究中的合作作者包括第一作者、前物理学研究生颜振杰、前物理学研究生Parth Patel和Biswaroop Mukherjee，以及澳大利亚墨尔本斯威本科技大学的Chris Vale。麻省理工学院的研究人员是麻省理工学院-哈佛大学超冷原子中心（CUA）的成员。当原子云被降到接近绝对零度的温度时，它们会转变为罕见的物质状态。Zwierlein 在麻省理工学院的研究小组正在探索超冷原子之间出现的奇异现象，特别是费米子通常相互避开的粒子，如电子。然而，在某些条件下，费米子可以发生强烈的相互作用并配对。在这种耦合状态下，费米子可以以非常规的方式流动。在最新的实验中，研究小组采用了费米子锂-6 原子，将其困住并冷却至纳开尔文温度。1938年，物理学家拉斯洛-蒂萨（László Tisza）提出了超流体的双流体模型超流体实际上是某种正常粘性流体和无摩擦超流体的混合物。这种两种流体的混合物可以产生两种类型的声音，即普通密度波和特殊温度波，物理学家列夫-朗道后来将其命名为"第二声音"。由于流体在某个临界超冷温度下会转变为超流体，麻省理工学院的研究小组推断，这两种流体的热量传输方式也应该不同：在普通流体中，热量应该像往常一样散失，而在超流体中，热量可以像波一样移动，类似于声音。Zwierlein说："秒声是超流性的标志，但在超冷气体中，迄今为止你只能在密度涟漪的微弱反射中看到它，而热浪的特征以前一直无法证实"。团队试图分离并观察第二种声音，即热的波状运动，与超流体中费米子的物理运动无关。为此，他们开发了一种新的热成像方法一种热映射技术。在传统材料中，人们会使用红外线传感器对热源进行成像。但在超低温下，气体不会发出红外线辐射。相反，研究小组利用射频来"观察"热量如何在超流体中移动。他们发现，锂-6费米子会根据不同的温度产生不同的射频共振：当云的温度较高，携带的正常液体较多时，共振频率较高。云中温度较低的区域共振频率较低。研究人员使用较高的共振无线电频率，促使液体中任何正常、"热"的费米子响应响铃。随后，研究人员就能锁定共振费米子，并随着时间的推移追踪它们，从而制作出"电影"，揭示热的纯粹运动类似于声波的来回晃动。Zwierlein说："我们第一次可以在这种物质冷却到超流体临界温度时对其进行拍照，并直接看到它是如何从热平衡无聊的普通流体转换到热量来回滑动的超流体的。"这些实验标志着科学家们首次能够直接对超流体量子气体中的秒声和纯热运动进行成像。研究人员计划扩展他们的工作，以更精确地绘制热在其他超冷气体中的行为。研究成果可以推广到预测热量如何在其他强相互作用的材料中流动，比如在高温超导体和中子星中，精确测量这些系统的导热性，并希望了解和设计出更好的系统。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：