我國(guó)量子計(jì)算研究取得重大進(jìn)展。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉院士團(tuán)隊(duì)近日成功構(gòu)建了求解一種特定科學(xué)模型的量子模擬器，首次觀測(cè)到該體系中的特殊現(xiàn)象——反鐵磁相變，實(shí)現(xiàn)了超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力，為理解高溫超導(dǎo)機(jī)制奠定了重要基礎(chǔ)。這一研究成果于10日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表。
總臺(tái)央視記者 帥俊全：這里就是中國(guó)科學(xué)院量子創(chuàng)新研究院，在這個(gè)實(shí)驗(yàn)室里面，我們現(xiàn)在所看到的涉及激光、真空、電子學(xué)等不同門(mén)類(lèi)的數(shù)千個(gè)器件組成的一臺(tái)裝置，就是科研團(tuán)隊(duì)最新成功構(gòu)建的超冷原子量子模擬器，它對(duì)于求解某一特定科學(xué)問(wèn)題的計(jì)算能力是已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了經(jīng)典計(jì)算機(jī)。
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(jì)算或者實(shí)現(xiàn)的情況。在本次研究中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)在實(shí)驗(yàn)室里搭建了一個(gè)超冷原子量子模擬器，并且成功利用這個(gè)量子模擬器，實(shí)現(xiàn)了有望描述高溫超導(dǎo)機(jī)理的一種重要理論模型預(yù)言的反鐵磁狀態(tài)。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 陳宇翱：費(fèi)米子哈伯德模型是目前描述電子運(yùn)動(dòng)的一個(gè)最簡(jiǎn)單模型。反鐵磁的狀態(tài)是無(wú)論從哪個(gè)方向上看，它的自旋一個(gè)朝上一個(gè)朝下，表現(xiàn)是即便是金屬，外面有個(gè)磁鐵去吸它，它是完全就沒(méi)有任何的反應(yīng)。
據(jù)介紹，費(fèi)米子哈伯德模型被認(rèn)為是有希望解釋高溫超導(dǎo)機(jī)理這一困擾物理學(xué)界近四十年難題的核心物理模型。一旦理解了它的物理機(jī)制，就能夠規(guī)模化地設(shè)計(jì)、生產(chǎn)和應(yīng)用新型的高溫超導(dǎo)材料，在電力傳輸、醫(yī)學(xué)、超算等領(lǐng)域產(chǎn)生變革性影響。
可操控80萬(wàn)個(gè)格點(diǎn) 提升4個(gè)數(shù)量級(jí)
目前國(guó)際上主流的求解費(fèi)米子哈伯德模型的量子模擬實(shí)驗(yàn)只能同時(shí)操控幾十個(gè)原子，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)最新構(gòu)建的量子模擬器能夠同時(shí)操控大約80萬(wàn)個(gè)格點(diǎn)，提升了4個(gè)數(shù)量級(jí)。
中國(guó)科學(xué)院院士 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 常務(wù)副校長(zhǎng) 潘建偉：從某種意義上講，我們最近的成果相當(dāng)于是實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算領(lǐng)域里第二步的重要的一步，我們把大門(mén)給打開(kāi)了，終于證實(shí)了可以構(gòu)建某類(lèi)特殊的量子模擬機(jī)，來(lái)做某些在科學(xué)上有重要意義的事情，讓傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)本身是沒(méi)辦法解決的，當(dāng)用了我們的量子模擬機(jī)之后就可以解決，按照我們同行的評(píng)價(jià)，是在走向量子模擬機(jī)里面的一個(gè)非常重要的里程碑性的工作。
攻關(guān)十余載
開(kāi)啟構(gòu)建專(zhuān)用量子模擬機(jī)大門(mén)
經(jīng)過(guò)十多年的持續(xù)攻關(guān)，科研團(tuán)隊(duì)終于成功構(gòu)建超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子模擬器，也打開(kāi)了構(gòu)建專(zhuān)用量子模擬機(jī)的大門(mén)。這扇全新大門(mén)的開(kāi)啟究竟有多難？又有怎樣的意義呢？我們來(lái)看專(zhuān)家的解讀。
中國(guó)科學(xué)院院士 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 常務(wù)副校長(zhǎng) 潘建偉：我們其實(shí)2011年開(kāi)始考慮這個(gè)方向，然后到2012年開(kāi)始建這個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置，大概花了11年的時(shí)間，到去年底，這些參數(shù)都能夠滿足費(fèi)米子哈伯德模型的相關(guān)參數(shù)的要求了。去年底我們開(kāi)始測(cè)各種各樣的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這個(gè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是以非常清晰的數(shù)據(jù)表明在費(fèi)米子哈伯德模型里面確實(shí)可以有非常好的反鐵磁的相變。
潘建偉介紹，實(shí)現(xiàn)純凈的費(fèi)米子哈伯德量子模擬器主要有三大難點(diǎn)，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(dǎo)等物理狀態(tài)；另一個(gè)難點(diǎn)是要實(shí)現(xiàn)足夠大且均勻的體系，因?yàn)榉蔷鶆蛐詴?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)多種狀態(tài)共存，從而干擾想要研究的對(duì)象狀態(tài)。最后，是需要發(fā)展新型的測(cè)量手段，對(duì)量子模擬器實(shí)現(xiàn)的狀態(tài)進(jìn)行精確的測(cè)量和表征。
中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 姚星燦：在這個(gè)工作中，我們主要發(fā)展了三個(gè)方面的技術(shù)，針對(duì)這三個(gè)難點(diǎn)，涉及量子模擬體系的構(gòu)建，我們第一步是利用一個(gè)光學(xué)的盒子，然后把一個(gè)個(gè)的費(fèi)米原子裝進(jìn)盒子里面，在這個(gè)盒子里面我們可能有80萬(wàn)個(gè)原子，慢慢地把光晶格的光場(chǎng)打開(kāi)，這個(gè)時(shí)候原子就會(huì)自動(dòng)地一個(gè)個(gè)填到光晶格里邊，當(dāng)體系溫度足夠低的時(shí)候，這些原子之間就會(huì)形成交錯(cuò)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(wàn)物包括我們?nèi)祟?lèi)自身都是由微觀粒子組成的，這是一個(gè)被稱(chēng)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(lèi)法則”。那么，量子究竟是什么？又有哪些特性呢？下面就通過(guò)一個(gè)短片來(lái)走進(jìn)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(shí)是以光子為單位一份一份變化的。我們大可以打開(kāi)腦洞，想象一下，我們一舉手投足間，一個(gè)呼吸，就有上萬(wàn)億的量子在移動(dòng)。
最早，量子是被一個(gè)叫普朗克的德國(guó)物理學(xué)家在1900年提出來(lái)的。后來(lái)陸陸續(xù)續(xù)經(jīng)過(guò)愛(ài)因斯坦等許多科學(xué)家的共同努力，量子科學(xué)體系不斷完善。
神奇的量子有兩個(gè)怪癖，不可分割、不可克隆。我們就是利用量子的這兩個(gè)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(shuō)到量子，它還有兩個(gè)堪稱(chēng)神奇的絕技，就是分身術(shù)和遠(yuǎn)程心靈感應(yīng)。別小看這兩門(mén)功夫，要知道最強(qiáng)悍的量子計(jì)算機(jī)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(gè)量子可以同時(shí)存在好幾種狀態(tài)，首先一個(gè)應(yīng)用就是幫我們的計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。這能力有多強(qiáng)，大家可以想象一下幾十個(gè)孫悟空打妖怪。舉個(gè)例子，如果我們分解一個(gè)300位的大數(shù)，用現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)，需要15萬(wàn)年，用量子的分身術(shù)幫我們并行運(yùn)算，只要一秒鐘就可以算出來(lái)。
構(gòu)建專(zhuān)用量子模擬機(jī)
搶占科技制高點(diǎn)
如果把經(jīng)典計(jì)算比做自行車(chē)，量子計(jì)算與量子模擬就好像是飛機(jī)。那么量子計(jì)算與量子模擬國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀如何？新的大門(mén)開(kāi)啟之后，科研團(tuán)隊(duì)將會(huì)如何構(gòu)建專(zhuān)用量子模擬機(jī)、搶占科技制高點(diǎn)呢？繼續(xù)來(lái)看專(zhuān)家的解讀。
上個(gè)世紀(jì)八十年代，理論物理學(xué)家分別提出了量子模擬、量子計(jì)算的概念。隨著計(jì)算機(jī)和信息學(xué)的發(fā)展和興起，以“祖沖之號(hào)”“九章號(hào)”為代表的量子計(jì)算機(jī)在解決特定問(wèn)題上的計(jì)算能力已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出超級(jí)計(jì)算機(jī)，實(shí)現(xiàn)了量子計(jì)算優(yōu)越性，正在向?qū)崿F(xiàn)專(zhuān)用的量子模擬機(jī)、解決重要科學(xué)問(wèn)題的下一階段轉(zhuǎn)型。
中國(guó)科學(xué)院院士 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 常務(wù)副校長(zhǎng) 潘建偉：我們?cè)诹孔佑?jì)算研究的領(lǐng)域，為了最終實(shí)現(xiàn)通用的可編程量子宏偉的目標(biāo)，我們整個(gè)領(lǐng)域把它分成三個(gè)階段。
第一個(gè)階段是量子計(jì)算優(yōu)越性，就是你要造出一臺(tái)就是說(shuō)量子計(jì)算機(jī)的原型機(jī)來(lái)在計(jì)算某些特定的問(wèn)題上，能比傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)快，傳統(tǒng)超級(jí)計(jì)算機(jī)算不動(dòng)。這個(gè)目標(biāo)我們中國(guó)科學(xué)家的“九章號(hào)”和“祖沖之號(hào)”在2020年和2021年都已經(jīng)先后完成了；
第二個(gè)目標(biāo)是利用專(zhuān)用的量子模擬機(jī)來(lái)解決一些傳統(tǒng)的超級(jí)計(jì)算機(jī)沒(méi)辦法解決的又具有重大科學(xué)意義的問(wèn)題。所以其實(shí)我們基于超冷原子量子模擬機(jī)的構(gòu)建來(lái)實(shí)現(xiàn)費(fèi)米子哈巴德模型的反鐵磁相變，走出了構(gòu)建專(zhuān)用量子模擬機(jī)來(lái)做一些超算所做不了的重要的一步，打開(kāi)了第二個(gè)里程碑的大門(mén)，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(guò)程完成的基礎(chǔ)之上，通過(guò)量子糾錯(cuò)來(lái)構(gòu)建可容錯(cuò)的通用量子計(jì)算機(jī)，但后面這個(gè)目標(biāo)我們也在努力，希望能夠經(jīng)過(guò)10年左右的時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)最終通用量子計(jì)算的目標(biāo)。
據(jù)介紹，目前全球數(shù)十家科研團(tuán)隊(duì)都在開(kāi)展利用量子模擬求解各種科學(xué)模型的科研攻關(guān)。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)此次構(gòu)建的量子模擬器，在國(guó)際上首次展現(xiàn)了超冷原子量子模擬擁有超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的能力，也為構(gòu)建能夠求解費(fèi)米子哈伯德模型的專(zhuān)用量子模擬機(jī)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
中國(guó)科學(xué)院院士 中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)教授 常務(wù)副校長(zhǎng) 潘建偉：對(duì)于費(fèi)米子哈伯德模型，我們的目標(biāo)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(gè)相變相圖完整的找出來(lái)。那么這個(gè)相圖就相當(dāng)于你要進(jìn)行材料的合成需要有個(gè)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(cè)出來(lái)的話，那么對(duì)高溫超導(dǎo)機(jī)理的研究是會(huì)具有非常重要的意義的。