探明高溫超導(dǎo)的機(jī)理，進(jìn)而研制出性能強(qiáng)大的新材料，是現(xiàn)代物理學(xué)的重大課題。近期，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉、陳宇翱、姚星燦、鄧友金等人成功構(gòu)建求解費(fèi)米子哈伯德模型的超冷原子量子模擬器，以超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的模擬能力首次驗(yàn)證了該體系中的反鐵磁相變，朝著獲得該模型低溫相圖、理解量子磁性在高溫超導(dǎo)機(jī)理中作用邁出重要一步。國際學(xué)術(shù)期刊《自然》7月10日發(fā)表了該成果。

超導(dǎo)，指材料在低于某一溫度時(shí)，電阻變?yōu)榱愕默F(xiàn)象。電阻為零的超導(dǎo)體，在電力輸運(yùn)、信息技術(shù)、生物醫(yī)藥、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域存在巨大應(yīng)用價(jià)值。但是，以高溫超導(dǎo)為代表的新材料，其深層次機(jī)理尚未闡明，難以規(guī)模化生產(chǎn)和應(yīng)用。

物理學(xué)家約翰·哈伯德提出的費(fèi)米子哈伯德模型，是描述高溫超導(dǎo)材料的代表性物理模型之一。但它的求解難度極高，即使是超級計(jì)算機(jī)也難以進(jìn)行有效數(shù)值模擬。

量子計(jì)算提供了新解決方案。“從微觀層面看，世界上絕大部分材料都由原子或分子排列形成的晶格結(jié)構(gòu)組成，而材料的性質(zhì)主要由晶格中的電子的運(yùn)動方式?jīng)Q定。”中科大教授姚星燦說，因此基于光晶格中的超冷原子體系構(gòu)建量子模擬器，對費(fèi)米子哈伯德模型進(jìn)行模擬和求解，不僅是理解高溫超導(dǎo)機(jī)理的有效途徑，也是量子計(jì)算研究的重大突破。

近期，中科大潘建偉團(tuán)隊(duì)在前期實(shí)現(xiàn)盒型光勢阱中的均勻費(fèi)米超流的基礎(chǔ)上，結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)最低溫度的均勻費(fèi)米簡并氣體制備，進(jìn)一步創(chuàng)新方法實(shí)現(xiàn)空間均勻的費(fèi)米子哈伯德體系的絕熱制備。在此基礎(chǔ)上通過精確調(diào)控，直接觀察到了反鐵磁相變的確鑿證據(jù)——自旋結(jié)構(gòu)因子在相變點(diǎn)附近呈現(xiàn)冪律的臨界發(fā)散現(xiàn)象。

這項(xiàng)研究為進(jìn)一步求解費(fèi)米子哈伯德模型，獲取其低溫相圖以及更深入地理解高溫超導(dǎo)機(jī)理奠定基礎(chǔ)，也首次展現(xiàn)了量子模擬在解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法勝任的重要科學(xué)問題上的巨大優(yōu)勢。