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澳大利亞硅量子計(jì)算公司科學(xué)家在4日出版的《自然》雜志發(fā)表論文，宣布成功研制出迄今規(guī)模最大的量子材料模擬器——“量子孿生”。這款由磷原子嵌入硅芯片構(gòu)建的15000量子比特陣列，為研究復(fù)雜量子材料提供了前所未有的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，有望幫助科學(xué)家精準(zhǔn)建模尚未完全理解的新材料與新分子。

“量子孿生”不僅能揭示奇特而潛在有用的量子材料的工作機(jī)制，還將助力未來(lái)材料的定向設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化。這一突破對(duì)超導(dǎo)體等材料研究尤為重要，這些材料的獨(dú)特性質(zhì)源于量子效應(yīng)，傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以直接模擬，往往需依賴繁復(fù)的數(shù)學(xué)近似，而在量子模擬器上，這些效應(yīng)卻能被真實(shí)還原。

團(tuán)隊(duì)通過(guò)精密操控，將單個(gè)磷原子逐一定位在硅基底上，每個(gè)原子即成為一個(gè)可控的量子比特。通過(guò)排列成規(guī)則的二維方格，“量子孿生”可模仿真實(shí)材料中原子的結(jié)構(gòu)布局。其15000量子比特的規(guī)模遠(yuǎn)超以往同類裝置，此前最先進(jìn)的模擬器僅基于數(shù)千個(gè)超冷原子實(shí)現(xiàn)。

團(tuán)隊(duì)還在芯片上集成了電子元件，精確調(diào)控電子的行為。例如，調(diào)節(jié)向網(wǎng)格中注入電子的難易程度，或控制電子在不同位置間“躍遷”的概率。這種高度可調(diào)性，使得模擬材料中的電流輸運(yùn)過(guò)程成為可能。

傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)在處理大型二維電子系統(tǒng)時(shí)力不從心，尤其在面對(duì)強(qiáng)關(guān)聯(lián)、非平衡態(tài)等復(fù)雜情形時(shí)?！傲孔訉\生”則展現(xiàn)出強(qiáng)大潛力。團(tuán)隊(duì)已用它模擬了一個(gè)經(jīng)典理論模型，描述材料從導(dǎo)體到絕緣體相變的過(guò)程，并測(cè)量了系統(tǒng)霍爾系數(shù)隨溫度的變化情況，揭示了其在磁場(chǎng)作用下的響應(yīng)特性。

該平臺(tái)的規(guī)模與控制精度意味著，“量子孿生”有望挑戰(zhàn)更具爭(zhēng)議的科學(xué)難題，如高溫超導(dǎo)機(jī)制。傳統(tǒng)超導(dǎo)體雖原理清晰，但需極低溫或高壓環(huán)境，應(yīng)用受限。部分非常規(guī)超導(dǎo)體可在較溫和條件下工作，但微觀機(jī)理仍不明朗。要實(shí)現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)，必須深入電子層級(jí)探明其本質(zhì)，這正是量子模擬器大顯身手之處。

此外，“量子孿生”還可助力藥物、人工光合作用等領(lǐng)域的研發(fā)。