文丨俊俊

科技是国之利器，国家赖之以强，企业赖之以赢，人民生活赖之以好。

近日，我国量子计算研究取得重大进展。

我国科学家首次实现超越经典计算机的超冷原子量子模拟器。

中国科学技术大学潘建伟、陈宇翱、姚星灿、邓友金等人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，朝向获得费米子哈伯德模型的低温相图、理解量子磁性在高温超导机理中的作用迈出了重要的第一步。

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。

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素材来源：央视一套微信公众号

超冷原子量子模拟器“天元”

目前，全球数十家科研团队都在开展利用量子模拟求解各种科学模型的科研攻关。

在本次研究中，中国科学技术大学科研团队在实验室里搭建了一个涉及激光、真空、电子学等不同门类的数千个器件组成的一台装置，也就是科研团队最新成功构建的超冷原子量子模拟器。

量子模拟器利用人造可控的量子系统，在量子的微观世界里模拟一些经典情况下很难计算或者实现的情况。利用这个量子模拟器，有望实现描述高温超导机理的一种重要理论模型预言的反铁磁状态。

量子计算对于求解某一特定科学问题的计算能力是远远超出了经典计算机。

中国科学技术大学科研团队此次构建的量子模拟器在国际上首次展现了超冷原子量子模拟，该模拟器是首次实现对费米子哈伯德模型的超冷原子量子模拟，为构建能够求解费米子哈伯德模型的专用量子模拟机奠定了坚实基础。

据悉，该量子模拟器被命名为“天元。”

根据中国科学技术大学科技史专家石云里教授提供的资料，“天元”，是宋元时期发展起来的符号代数，将未知数设为“天元一”，用算筹列出矩阵式方程，通过运算求解，得出结果。这套方法当时在世界上也是领先的，叫做“天元术”。

此外，围棋棋盘正中央的星位被称为天元，象征着众星烘托的“北极星”。该模拟器被命名为“天元”，代表着科学家对它未来能够解决更多专用科学问题的希望。

以下视频来源于

墨子沙龙

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量子模拟实验过程示意，素材来源：墨子沙龙

揭开量子计算新篇章

量子计算的原型机在20世纪80年代首次被提出，并在之后的几十年中逐渐发展完善。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。

如今，随着量子计算机硬件的进步，我们终于可以开始尝试利用这种强大的新计算模式来解决一些现实生活中的复杂问题。

量子计算的三个发展阶段则由国际学术界共同认定：

一是对特定问题的计算能力超越经典超级计算机，能比传统的超级计算机快，实现“量子计算优越性”。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，这一阶段的目标已达到；

二是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，传统的超级计算机没办法解决的又具有重大科学意义的问题。这是当前的主要研究目标；

三是在量子纠错的辅助下实现通用容错量子计算机。

陈宇翱教授指出，当前的主要目标处在第二阶段——制造专用量子模拟机来解决重要科学问题。

理论研究表明，即使采用通用量子计算机也难以准确求解费米子哈伯德模型。

但“天元”的出现，标志着中国在量子计算第二阶段的发展上率先取得里程碑式进展，我们正处于揭开量子计算新篇章的门槛上。

因此，构建可以求解费米子哈伯德模型的量子模拟机，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。

我国量子计算成就突出

量子计算的发展对中国科技创新和产业升级具有深远影响。

一方面，中国的科研机构和企业在量子计算技术上不断取得突破，为全球量子计算的发展贡献了中国智慧和中国方案。

另一方面，量子计算技术的进步将为中国乃至全球的金融、医药、化学、人工智能等多个领域带来根本性变革，推动新一轮的产业革命。

面对量子计算的快速进步，我们有理由相信，在不远的将来，量子技术将像今天的互联网和移动通信一样，成为人类生活中不可或缺的一部分。

量子技术不仅是科技竞赛的焦点，也是国家战略布局的关键领域。中国政府亦在政策层面大力支持量子信息技术的发展。

《关于推动未来产业创新发展的实施意见》中提及发展量子信息技术，而《政府工作报告》则提出要制定未来产业发展规划，开辟量子技术等新赛道。

量子计算的市场前景同样令人瞩目。

中泰证券预测，到2035年量子产业的规模有望达到8000亿美元，产业链玩家规模逐渐扩张，参与者数量持续增加。这表明量子计算技术将带来巨大的经济价值和市场机遇。

A股市场上，已有14家公司布局量子计算领域，其中普源精电、天融信、西部超导等企业受到机构投资者的密切关注。

今年以来，中国在量子计算领域的成就尤为突出。

从“本源悟空”量子计算机的运行到其核心部件的国产化研发，加速了国内量子计算技术的成熟。值得关注的是，“本源悟空”的访问量已超过1000万人次，显示出全球范围内对量子计算资源的极大需求和兴趣。

中国在这一领域的深耕细作，无疑将在全球量子时代的舞台上发挥越来越重要的作用。

量子计算替代经典计算？

量子计算出现后，有人认为“经典计算机科学即将终结，我们大多数人都像恐龙一样等待着陨石的撞击”，这么说并不完全对。

现代经典计算机，都是采用“冯诺依曼”结构，并且是使用逻辑门进行逻辑运算的计算机。不管是“继电器”计算机、还是电子管、晶体管，之所以会被归于同一类计算机，因为他们都是采用“逻辑门”运算，只不过是用“继电器”当逻辑门，还是用电子管和晶体管当逻辑门的问题而已。

所以，计算机的计算，并非数字计算，而是逻辑计算。

我们现在已经习惯了计算机可以通过编程来做许多不同的事情。但在图灵时代，阿兰图灵通过惊人的想象力，想象出通用可编程计算机的想法，提出可以通过0和1进行逻辑运算解决复杂问题后，逻辑运算才成为现代计算机的最核心规则，也是现代计算的基础。

在此基础上，冯诺依曼提出了“运算器、逻辑控制器、存储器、输入设备、输出设备”的计算机五大部件。这也被称为“冯诺依曼结构”，这个结构一直被沿用至今，哪怕是量子计算机也没有完全离开冯诺依曼结构，我们通过单个固定设备就可以模仿任何算法过程。

可以说加法是计算机唯一在做事情，其他像减法、除法、乘法，都可以通过构造加法来实现。

所以，不管当前互联网呈现如何多姿多彩的世界，其背后都只有由0和1构成，而能把0和1这两个数字演变成如此庞大复杂的互联网信息时代，就是通过三大逻辑门运算。（“与、或、非”三个最基础的逻辑门电路）

同时，每个想法，无论多么复杂或复杂，从数据库连接算法到令人难以理解的 Paxos 一致性协议，都可以表达为可读、可理解的人类程序。也就是说，计算可以将一个想法转化为由人类编写的程序，如 Java、C++ 或 Python 等语言的源代码。

当然，计算机发展已经几十年了，很多事情都在悄悄地发生变化。但是有一件事始终没变，那就是计算机科学这门学科的核心课程依然是数据结构、算法和编程语言。

量子计算机和电子计算机地区别，不是简单的把经典计算机架构里的“电子”给换成“量子”，二者其实是完全不同次元的产物。

它们的运算原理是不一样的，最大区别，就是这个计算单元的不同。

经典计算机用电路开关的闭合状态来区分0和1，是通过逻辑门电路来实现逻辑运算。

而量子计算机的基本计算单元，叫做“量子比特”。（比特是指计算机存储数据的最小单位，就是0或者1）

量子比特这个名词虽然看起来高大上，但实际上就是 “0或者1”，量子比特则是利用粒子的状态不同来区分。

经典计算机的经典比特是固定的0或者1这样的数字。而量子比特跟经典比特最大的区别在于，量子比特处理的0或者1，这两个数字是处于“量子叠加态”的。也就是说量子计算机的处理数据，并非0和1，而是处于量子叠加态的0和1。

由于一个量子比特里，0和1是处于量子叠加态，所以单单一个量子比特就可以对应“可能是1、也可能是0”。

所以在应用情境中，如有些数学难题，用经典计算机去计算，动辄都是要上亿年也算不出结果。但用量子计算机，或许只需要计算数十小时。

举个例子，如果我们分解一个300位的大数，用现在的计算机，需要15万年，用量子的分身术帮我们并行运算，只要一秒钟就可以算出来。

如果把经典计算比作自行车，量子计算与量子模拟就好像是飞机。

所以，相对于经典计算机，量子计算机可以说是有着“霸权优势”，是绝对地碾压。

量子计算机的优势还是在于并行计算，去计算那些“可能、概率、随机”的问题，而这些问题恰恰就是我们经典计算机最不擅长，导致我们在材料、制药、数学领域是长期卡在瓶颈。

实际上，量子计算优越性指的是在某一特定任务上的计算能力远超任何一台经典计算机。

我们所能看到的量子计算机，都是针对某种特定问题求解。这也是实现通用量子计算的第一步。

不过，目前学术上对于量子计算机是否可以成为“稳定”的通用型计算机，还存在一些争议。

量子计算机最大的问题，在于不够稳定。

因为量子计算机是基于“量子叠加态”这个神奇的量子效应来实现的，用科幻点的说法打比方说，就是有N多个平行宇宙的量子计算机，在一起并行计算，才会让量子计算机那么快。

但量子叠加态是不稳定的，一旦坍缩这个计算数据很容易丢失。所以从稳定性来说，量子计算机是远不如经典计算机。

而且量子计算机还有一个很严重的问题是，很难简单把计算结果给输出来。

经典计算机，算出什么结果，可以马上输出。

但量子计算机就不行，因为量子计算机的计算结果是存储于叠加态状态。一旦我们对这个结果进行测量，整个量子叠加态就会瞬间坍缩，从而把正确结果给湮灭了。

所以量子计算机的计算过程会出现大量错误比例，基本都是由“比特错误和相位错误”构成。

为了解决量子出错的问题，需要不断进行量子纠错。

因此，用量子计算机进行计算，需要把同一个计算重复上万遍，然后再把这上万个具体的 0 或者 1 统计一遍，才能重新得出正确的运算结果。

除了需要量子纠错的难题之外，量子计算机还在制造难度上存在比较大的瓶颈。

目前我们所能看到的量子计算机的原型机，之所以被设计出来，其目的只有一个，那就是向世人证明，量子计算机可以有实际用途。

有网友举了一个比较贴切的例子，可以参考：

A造了台咖啡机，比传统方法煮咖啡快了好多；B造了台洗衣机，比传统手洗衣服也快了好多。

——这是“量子优越性”。

但大家都还没能造出一个可以做所有家务的综合机器人，这点上还是不如一个真人。

——这是“为什么它们都不算真正的量子计算机”。

但咖啡机和洗衣机的从无到有，都是有伟大意义的事。

此外，咖啡机不能洗衣服，洗衣机也不能煮咖啡。

量子计算机可以带给我们的美好愿景，一旦量子计算机进一步发展，即使我们不能很快把量子计算机变成通用型计算机，但只要量子计算机可以成为解决某一类难题的专用计算机，可以作为专用机，帮我们在至关重要的领域取得突破。

比如像材料学领域一旦突破，不管是新能源汽车（电池），还是可控核聚变，都会有巨大的飞跃。

像人工智能领域，也是急需量子计算机来突破。

即使量子计算机最后被证明没办法成为通用计算机，但我们也可以先把量子计算机发展成专门处理这些概率可能性问题的专用机，单单这样，就可以给人类科技水平带来突破瓶颈的效果。

量子计算和经典计算的竞争是一个长期的动态过程。

虽然人们操纵量子比特的数量和精准度在不断提高，但是经典计算的算法和硬件也在不断优化，超算工程的潜力更是不可小觑。

求解费米子哈伯德模型

物理学家约翰·哈伯德提出的费米子哈伯德模型，是描述高温超导材料的代表性物理模型之一，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，但它的求解难度极高。

中国科学院院士中国科学技术大学教授常务副校长潘建伟介绍，实现纯净的费米子哈伯德量子模拟器主要有三大难点。

首先是要将系统降低到足够低的温度，只有降低到足够低的温度，才能去研究高温超导等物理状态。

另一个难点是要实现足够大且均匀的体系，因为非均匀性会导致系统内多种状态共存，从而干扰想要研究的对象状态。

最后，是需要发展新型的测量手段，对量子模拟器实现的状态进行精确地测量和表征。

量子计算为求解费米子哈伯德模型提供了新解决方案。

对于整个设想中的费米子哈伯德模型低温相图，理论上仅能够明确无掺杂（即每个格点填充一个电子，又称“半满”）条件下系统的低温状态是反铁磁态。

然而由于系统的复杂性，不仅反铁磁态从未得到实验验证，而且掺杂条件下的系统状态已经无法通过经典超级计算机进行准确数值模拟。

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，也是获得该模型低温相图的重要基础。

光晶格中的超冷原子具有系统纯净，原子间相互作用强度、隧穿速率及掺杂浓度可精确调控等诸多优势，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。

为了验证反铁磁相变，超冷原子量子模拟器必须满足两个关键条件：

首先，需要建立空间强度分布均匀的光晶格系统，确保费米子哈伯德模型的参数在大尺度上保持一致；

其次，系统温度必须显著低于奈尔温度（即反铁磁相变温度），这样反铁磁相变才可能出现。

潘建伟提到，“我们其实2011年开始考虑这个方向，然后到2012年开始建这个实验装置，大概花了11年的时间，到去年底，这些参数都能够满足费米子哈伯德模型的相关参数的要求了。去年底我们开始测各种各样的实验数据，这些实验数据是以非常清晰的数据表明，在费米子哈伯德模型里面确实可以有非常好的反铁磁的相变”。

中国科学技术大学教授姚星灿表示，在这个工作中，我们主要发展了三个方面的技术，针对这三个难点，涉及量子模拟体系的构建。第一步是利用一个光学的盒子，然后把一个个的费米原子装进盒子里面，在这个盒子里面可能有80万个原子，慢慢地把光晶格的光场打开，这个时候原子就会自动地一个个填到光晶格里边，当体系温度足够低的时候，这些原子之间就会形成交错的这样的排列，也就是反铁磁状态。

攻关十余载，中科大潘建伟团队开启构建专用量子模拟机大门。

研究团队克服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，通过精确调控相互作用强度、温度和掺杂浓度，在前期实现盒型光势阱中的均匀费米超流的基础上，结合机器学习优化技术实现最低温度的均匀费米简并气体制备，进一步创新方法实现空间均匀的费米子哈伯德体系的绝热制备。

在此基础上通过精确调控，直接观察到了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。

费米子哈伯德量子模拟器示意图

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

图源：中国科技技术大学，制图：陈磊

目前国际上主流的求解费米子哈伯德模型的量子模拟实验只能同时操控几十个原子，中国科学技术大学科研团队最新构建的量子模拟器能够同时操控大约80万个格点，提升了4个数量级。

这项研究为进一步求解费米子哈伯德模型，获取其低温相图以及更深入地理解高温超导机理奠定基础，也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。

因此基于光晶格中的超冷原子体系构建量子模拟器，对费米子哈伯德模型进行模拟和求解，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。

一旦理解了费米子哈伯德模型的物理机制，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。

据介绍，目前全球数十家科研团队都在开展利用量子模拟求解各种科学模型的科研攻关。中国在这一领域取得了重大进展，不仅展现了中国在量子计算领域的科研实力，还为量子技术的商业应用和产业化奠定了坚实基础。

路漫漫其修远兮，吾将上下而求索。

中国科学技术大学从没路的地方蹚出路来，从遍布荆棘的地方辟出路来，他们的这一成就不仅证明了量子模拟在解决一些对于经典计算机而言过于复杂问题上的潜在能力，也凸显了量子技术研究的重要性和潜力。

《自然》审稿人对该工作给予了高度评价，称该工作“有望成为现代科技的里程碑和重大突破”“标志着该领域向前迈出了重要的一步”“是实验的杰作，是期待已久的成就。”

现在的量子计算机还只能用于解决特定问题，距离通用量子计算机还有很长距离。未来，中等规模量子计算机有望在特定领域得到应用，

我们始终相信，了不起的中国，值得期待，不仅是在科技领域。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2