现代物理学中一些最令人兴奋的话题，比如高温超导体和量子计算机的一些提议，都归结于这些系统在两个量子态之间徘徊时发生的奇异现象。

不幸的是，要理解这些被称为量子临界点的点上发生了什么，被证明具有挑战性。数学运算往往很难解决，而今天的计算机并不总是能够模拟发生的事情，特别是在涉及相当数量原子的系统中。

现在，斯坦福大学和能源部SLAC国家加速器实验室的研究人员以及他们的同事已经朝着建立一种替代方法迈出了一步，即量子模拟器。尽管目前这种新设备只模拟了两个量子物体之间的相互作用，但研究人员在1月30日发表在《自然物理》(Nature Physics)上的一篇论文中指出，它可以相对容易地扩大规模。如果是这样的话，研究人员可以用它来模拟更复杂的系统，并开始回答物理学中一些最诱人的问题。

斯坦福大学物理学教授、斯坦福材料与能源科学研究所(SIMES)研究员大卫·戈德哈伯-戈登(David Goldhaber-Gordon)说:“我们一直在制作数学模型，希望能捕捉到我们感兴趣的现象的本质，但即使我们相信它们是正确的，它们通常也无法在合理的时间内解决”。他说，在通往量子模拟器的道路上，“我们有了前人从未有过的旋钮。” 电子海洋中的岛屿

戈德哈伯-戈登说，量子模拟器的基本思想有点类似于太阳系的机械模型，有人转动一个曲柄，联锁齿轮旋转，代表月球和行星的运动。在2000多年前的一艘沉船中发现的这种“行星”被认为可以定量预测日食时间和行星在天空中的位置，甚至在20世纪后期，类似的机器还被用于数学计算，这对当时最先进的数字计算机来说太难了。

就像太阳系力学模型的设计者一样，构建量子模拟器的研究人员需要确保他们的模拟器与他们要模拟的数学模型保持相当好的一致性。

对于Goldhaber-Gordon和他的同事来说，他们感兴趣的许多系统——具有量子临界点的系统，比如某些超导体——可以想象成一种元素的原子排列在一个周期晶格中，嵌入在一个移动电子库中。这种材料中的晶格原子都是相同的，它们彼此之间以及与周围的电子海洋相互作用。

为了用量子模拟器模拟这样的材料，模拟器需要有彼此几乎相同的晶格原子的替代品，这些替代物需要彼此以及与周围的电子库发生强烈的相互作用。该系统还需要在某种程度上可调，以便实验者可以改变实验的不同参数，以深入了解模拟。

大多数量子模拟方案不能同时满足所有这些要求，戈德哈伯-戈登实验室的研究生、《自然物理》论文的第一作者温斯顿·普斯(Winston Pouse)说。“在高层次上，存在超冷原子，其中原子完全相同，但实现与储层的强耦合是困难的。然后是基于量子点的模拟器，我们可以实现强耦合，但站点并不相同。”Pouse说。

戈德哈伯-戈登说，法国物理学家Frédéric Pierre的工作提出了一个可能的解决方案，他正在研究纳米级器件，其中一个金属岛位于被称为二维电子气体的特别设计的电子池之间。电压控制门调节电子在池和金属岛之间的流动。

在研究皮埃尔和他实验室的工作时，普斯、戈德哈伯-戈登和他们的同事意识到这些设备可以满足他们的标准。这些岛——晶格原子的替代品——与它们周围的电子气体发生了强烈的相互作用，如果皮埃尔的单个岛扩展成由两个或多个岛组成的群集，它们彼此之间也会发生强烈的相互作用。与其他材料相比，金属岛还具有多得多的电子状态，这可以平均掉相同金属的两个不同的看不见的小块之间的任何显著差异——使它们实际上完全相同。最后，系统可以通过控制电压的导线进行调节。

一个金色的圆柱形实验装置，研究人员在此进行实验

一个简单的模拟器

研究小组还意识到，通过将皮埃尔的金属岛配对，他们可以创建一个简单的系统，该系统应该能显示出他们感兴趣的量子临界现象。

事实证明，其中一个困难的部分是建造这些设备。首先，电路的基本轮廓必须在纳米级蚀刻到半导体中。然后，有人必须在底层结构上沉积和熔化一小块金属，以创建每个金属岛。

“它们很难制造，”普斯谈到这些设备时说。“这不是一个超级干净的过程，重要的是在金属和底层半导体之间形成良好的接触。”

尽管有这些困难，该团队的工作是斯坦福大学和SLAC更广泛的量子科学工作的一部分，他们能够建造一个带有两个金属岛的设备，并研究电子在各种条件下如何通过它。他们的结果与在超级计算机上花费数周时间进行的计算相吻合，这意味着他们可能已经找到了一种比以前更有效地研究量子临界现象的方法。

都柏林大学量子工程、科学和技术中心(C-QuEST)的理论物理学家、该论文的合著者安德鲁·米切尔(Andrew Mitchell)说:“虽然我们还没有建立一个具有足够能力来解决物理学中所有开放问题的万能可编程量子计算机，但我们现在可以用量子组件构建定制的模拟设备，可以解决特定的量子物理问题。”

最终，戈德哈伯-戈登说，该团队希望建造具有越来越多岛的设备，这样他们就可以模拟越来越大的原子晶格，捕捉真实材料的基本行为。

然而，他们首先希望改进他们的双岛装置的设计。其中一个目标是减小金属岛的尺寸，这可以使它们在可接近的温度下更好地工作:先进的超低温“冰箱”可以达到绝对零度以上50度的温度，但这对于研究人员刚刚完成的实验来说还不够冷。另一种方法是开发一种更可靠的制造岛屿的方法，而不是将熔化的金属滴到半导体上。

但研究人员相信，一旦这些问题得到解决，他们的工作将为物理学家在理解某些超导体方面取得重大进展奠定基础，甚至可能是更奇特的物理学，比如模拟粒子的假想量子态，其电荷只有电子的一小部分。

“大卫和我的一个共同点是，我们都很感激能够进行这样的实验。”普斯说，对于未来，“我当然很兴奋。”

这项研究主要由美国能源部科学办公室资助，早期阶段得到了戈登和贝蒂摩尔基金会的支持。

引用本文:Winston Pouse，自然物理，2023年1月30日(10.1038/s41567-022-01905-4)

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