科技日報記者 劉霞
澳大利亞硅量子計算公司科學家在4日出版的《自然》雜志發表論文，宣布成功研制出迄今規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建的15000量子比特陣列，為研究復雜量子材料提供了前所未有的實驗平臺，有望幫助科學家精準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計與性能優化。這一突破對超導體等材料研究尤為重要，這些材料的獨特性質源于量子效應，傳統計算機難以直接模擬，往往需依賴繁復的數學近似，而在量子模擬器上，這些效應卻能被真實還原。
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。通過排列成規則的二維方格，“量子孿生”可模仿真實材料中原子的結構布局。其15000量子比特的規模遠超以往同類裝置，此前最先進的模擬器僅基于數千個超冷原子實現。
團隊還在芯片上集成了電子元件，精確調控電子的行為。例如，調節向網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。這種高度可調性，使得模擬材料中的電流輸運過程成為可能。
傳統計算機在處理大型二維電子系統時力不從心，尤其在面對強關聯、非平衡態等復雜情形時。“量子孿生”則展現出強大潛力。團隊已用它模擬了一個經典理論模型，描述材料從導體到絕緣體相變的過程，并測量了系統霍爾系數隨溫度的變化情況，揭示了其在磁場作用下的響應特性。
該平臺的規模與控制精度意味著，“量子孿生”有望挑戰更具爭議的科學難題，如高溫超導機制。傳統超導體雖原理清晰，但需極低溫或高壓環境，應用受限。部分非常規超導體可在較溫和條件下工作，但微觀機理仍不明朗。要實現室溫常壓超導，必須深入電子層級探明其本質，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、人工光合作用等領域的研發。
