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最大規(guī)模量子材料模擬器制成

發(fā)布時間：2026-02-06

來源：科技日報

責(zé)任編輯：科普網(wǎng)

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科技日報北京2月5日電（記者劉霞）澳大利亞硅量子計算公司科學(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驗平臺，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制，還將助力未來材料的定向設(shè)計與性能優(yōu)化。這一突破對超導(dǎo)體等材料研究尤為重要，這些材料的獨特性質(zhì)源于量子效應(yīng)，傳統(tǒng)計算機難以直接模擬，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)卻能被真實還原。

團隊通過精密操控，將單個磷原子逐一定位在硅基底上，每個原子即成為一個可控的量子比特。通過排列成規(guī)則的二維方格，“量子孿生”可模仿真實材料中原子的結(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)千個超冷原子實現(xiàn)。

團隊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過程成為可能。

傳統(tǒng)計算機在處理大型二維電子系統(tǒng)時力不從心，尤其在面對強關(guān)聯(lián)、非平衡態(tài)等復(fù)雜情形時。“量子孿生”則展現(xiàn)出強大潛力。團隊已用它模擬了一個經(jīng)典理論模型，描述材料從導(dǎo)體到絕緣體相變的過程，并測量了系統(tǒng)霍爾系數(shù)隨溫度的變化情況，揭示了其在磁場作用下的響應(yīng)特性。

該平臺的規(guī)模與控制精度意味著，“量子孿生”有望挑戰(zhàn)更具爭議的科學(xué)難題，如高溫超導(dǎo)機制。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，但微觀機理仍不明朗。要實現(xiàn)室溫常壓超導(dǎo)，必須深入電子層級探明其本質(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)。

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