中国首次成功构建超越经典计算机的“天元”量子模拟器

天津消防网讯 中国科学技术大学(下称“中国科大”)潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人近日成功构建了超越经典计算机的“天元”量子模拟器，率先取得量子计算第二阶段里程碑式进展。

“天元”量子模拟器是首次实现超越经典计算机的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》(Nature)上。

费米子哈伯德模型量子模拟器示意图。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。　陈磊 制图。

国际学术界为量子计算的发展设定了三个阶段。陈宇翱教授介绍，随着美国谷歌公司“悬铃木”以及中国科大“九章”系列、“祖冲之号”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达到。

“实现专用量子模拟机以求解诸如费米子哈伯德模型这一类重要科学问题是第二阶段，也是当前的主要研究目标。”陈宇翱说，因此构建量子模拟器验证包括掺杂条件下的反铁磁相变，是实现能够求解费米子哈伯德模型的专用量子模拟机的第一步。在量子纠错的辅助下实现通用容错量子计算机则是第三阶段目标。

“光晶格中的超冷原子具有诸多优势，是最有希望构建专用量子模拟机以求解费米子哈伯德模型的体系之一。”姚星灿教授说，以往实验中光晶格强度的非均匀性和费米原子制冷存在的困难，使得反铁磁相变一直无法实现。

为了解决这些难题，研究团队在前期研究基础上，进一步发展了平顶光晶格技术，并通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，直接观察到确凿证据，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。

据介绍，该工作首次展现了量子模拟在解决经典计算机无法胜任的重要科学问题上的巨大优势。