规模最大量子材料模拟器研制成功

澳大利亚硅量子计算公司科学家在4日出版的《自然》杂志发表论文，宣布成功研制出迄今规模最大的量子材料模拟器——“量子孪生”。这款由磷原子嵌入硅芯片构建的15000量子比特阵列，为研究复杂量子材料提供了前所未有的实验平台，有望帮助科学家精准建模尚未完全理解的新材料与新分子。

“量子孪生”不仅能揭示奇特而潜在有用的量子材料的工作机制，还将助力未来材料的定向设计与性能优化。这一突破对超导体等材料研究尤为重要，这些材料的独特性质源于量子效应，传统计算机难以直接模拟，往往需依赖繁复的数学近似，而在量子模拟器上，这些效应却能被真实还原。

团队通过精密操控，将单个磷原子逐一定位在硅基底上，每个原子即成为一个可控的量子比特。通过排列成规则的二维方格，“量子孪生”可模仿真实材料中原子的结构布局。其15000量子比特的规模远超以往同类装置，此前最先进的模拟器仅基于数千个超冷原子实现。

团队还在芯片上集成了电子元件，精确调控电子的行为。例如，调节向网格中注入电子的难易程度，或控制电子在不同位置间“跃迁”的概率。这种高度可调性，使得模拟材料中的电流输运过程成为可能。

传统计算机在处理大型二维电子系统时力不从心，尤其在面对强关联、非平衡态等复杂情形时。“量子孪生”则展现出强大潜力。团队已用它模拟了一个经典理论模型，描述材料从导体到绝缘体相变的过程，并测量了系统霍尔系数随温度的变化情况，揭示了其在磁场作用下的响应特性。

该平台的规模与控制精度意味着，“量子孪生”有望挑战更具争议的科学难题，如高温超导机制。传统超导体虽原理清晰，但需极低温或高压环境，应用受限。部分非常规超导体可在较温和条件下工作，但微观机理仍不明朗。要实现室温常压超导，必须深入电子层级探明其本质，这正是量子模拟器大显身手之处。

此外，“量子孪生”还可助力药物、人工光合作用等领域的研发。