量子优越性：量子设备在模拟量子磁体方面超越经典计算机

 光子盒研究院出品

日本、美国和中国的物理学家利用比星际空间冷约30亿倍的原子，突破了量子磁学领域的探索[1]。京都大学开发的量子模拟器使用多达30万个原子，使物理学家能够直接观察粒子在量子磁体中如何相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的能力，实现了量子磁体模拟的量子优越性。

在量子模拟器中，使用激光将费米子（镱原子）冷却在绝对零度的大约十亿分之一的范围内——这是即使所有运动停止都无法达到的温度。

9月1日，研究成果以《在超冷SU(N)哈伯德模型中观察反铁磁相关性》为题[2]，发表在《自然·物理学》期刊上。

研究的共同作者包括京都的Shintaro Taie、Naoki Nishizawa和Yosuke Takasu、莱斯大学和上海复旦大学的Hao-Tian Wei、日本茨城筑波大学的Yoshihito Kuno，以及加利福尼亚大学戴维斯分校的Richard Scalettar。

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模拟量子哈伯德模型：首次揭示SU(6)中磁关联

费米子，包括类似电子的东西，是所有物质构成的两类粒子之一；原子也像电子、光子一样受到量子动力学定律的制约，但它们的量子行为只有在被冷却到绝对零度的几分之一内才会显现出来。物理学家使用激光冷却来研究超冷原子的量子特性已经超过25年，冷却也限制了它们的运动：使原子成为光学晶格、一维、二维或三维光通道，可以作为量子模拟器，能够解决传统计算机无法解决的复杂问题。

物理学家用京都大学的量子模拟器观察到的“磁关联”现象的艺术演绎，该模拟器使用比深空冷约30亿倍的镱原子。不同的颜色代表每个原子的六个可能的自旋状态。该模拟器使用多达30万个原子，使物理学家能够直接观察粒子在量子磁体中如何相互作用，其复杂性甚至超出了最强大的超级计算机的能力。

该团队使用光学晶格来模拟哈伯德（Hubbard）模型——理论物理学家John Hubbard在1963年创建的量子模型。它们经常被用来研究材料的磁性和超导行为，特别是电子间的相互作用产生集体行为的材料：这有点像在拥挤的体育场内表演“人浪”的体育迷的集体相互作用。

在京都模拟的哈伯德模型具有被称为SU(N)的特殊对称性，其中SU代表特殊单元组（一种描述对称性的数学方法），而N表示模型中粒子的可能自旋状态。N的值越大，模型的对称性和它所描述的磁性行为的复杂性就越大。镱原子有六种可能的自旋态，而京都模拟器是第一个揭示SU(6)哈伯德模型中磁关联的模型，这在传统计算机上是无法计算的。

研究小组表明它可以在其三维晶格中捕获多达30万个原子[3]。

02

超越经典计算机，粒子冷却更进一步

“京都大学的这个实验运行的任何时候，它都在制造宇宙中最冷的费米子。“莱斯大学的Kaden Hazzard说[4]：“此时，物理学开始变得更加量子力学，它让我们看到新的现象。准确计算SU(6)哈伯德模型中哪怕是十几个粒子的行为，也是最强大的超级计算机所不能企及的。”

“京都实验为物理学家提供了一个机会，通过观察这些复杂的量子系统的运行情况来了解它们。”Hazzard表示，这些结果是朝着这个方向迈出的重要一步，包括首次观察到SU(6)Hubbard模型中的粒子协调（particle coordination）。

“现在这种协调是短程的，但随着粒子被进一步冷却，未来更微妙和更奇特的物质阶段有望出现。”

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未来，有望制造高温超导体

此次实验中，研究团队使用镱原子制造了一个基于类自旋特性的磁体，该磁体有六个选项，每个选项都标有颜色。

他们使用激光以不同的配置排列原子以产生磁体。有些像电线一样是一维的，有些像一块薄薄的材料是二维的，或者像一块水晶一样是三维的。排列成线和片状的原子达到约1.2纳开尔文，比星际空间冷20亿多倍。对于三维排列的原子，情况如此复杂，研究人员仍在寻找测量温度的最佳方法。

物理学家表示，他们一直对原子如何在这样的外来磁体中相互作用感兴趣，因为他们怀疑在高温超导体（完美导电的材料）中也会发生类似的相互作用。通过了解发生了什么，他们可以制造出更好的超导体。科罗拉多大学博尔德分校的Victor Gurarie表示，该实验刚刚足够冷：原子开始“关注”其邻居的量子颜色状态，这一特性不会影响它们在温暖时如何相互作用。

他说：“由于计算非常困难，未来类似的实验可能是研究这些量子磁体的唯一方法。”

参考链接：

[1]https://www.newscientist.com/article/2336247-quantum-magnet-is-billions-of-times-colder-than-interstellar-space/

[2]https://www.nature.com/articles/s41567-022-01725-6

[3]https://www.science20.com/news_staff/whats_3_billion_times_colder_than_deep_space_fermions_produced_by_special_unitary_spin_rates-256220

[4]https://newsupdate.uk/sun-matter-is-about-3-billion-times-colder-than-deep-space-universes-coldest-fermions-open-portal-to-high-symmetry-quantum-realm/

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