前沿评述｜量子领域重大突破：绕开复杂计算限制，探索未来无限可能

近日，潘建伟院士团队以“Antiferromagnetic Phase Transition in a 3D Fermionic Hubbard Model”为题，在Nature上发表重磅研究成果。该团队首次在超冷锂-6原子体系下的三维费米子哈伯德模型 (FHM) 中，对反铁磁 (AFM) 相变进行了实验观察。此项工作极大地补全了科学界对于强相关系统认知的空白，并为低温量子相的探索提供了一个全新的实验平台。本评述将基于当前的研究背景，对该成果进行详细分析，并深入探讨其对于量子材料及相关技术领域的广泛影响。

FHM模型是研究强相关电子系统的基础，它能够帮助人们更好地理解金属-绝缘体转变以及磁性现象，而这些现象均是未来实现技术创新（尤其是高温超导）的关键。尽管FHM模型极其重要，但由于计算方面的限制，在三维系统中准确捕捉低温相图（特别是反铁磁序）仍然是一个不小的挑战，而这一挑战也阻碍了理论和数值仿真方面的进一步研究，这也为基于FHM模型的量子相预测工作留下了诸多悬而未决的难题。

图1 量子晶格结构，展示了费米子哈伯德模型

潘建伟院士团队独辟蹊径，利用光势阱和光晶格技术，在一个由超冷锂-6原子组成的量子模拟器中巧妙解决了这些计算限制。该量子模拟器通过模拟受控环境中强相关费米子的行为，避开了量子蒙特卡洛 (QMC) 模拟等传统方法中存在的计算挑战，为复杂量子系统提供了一种全新的研究方法。自此之后，在超冷原子的研究体系内，科学家可以通过精细调整系统温度及相互作用强度等参数，对传统实验中难以捕捉的量子相进行更加有效的探索。

在这项实验中，研究团队创建了一个包含80万个格点的三维光学晶格，而锂-6原子被冷却至足够低的温度，使量子效应占据主导地位。在此基础上，该团队还通过控制相互作用强度、调控系统掺杂浓度的方式，来使其具备探测AFM相变的临界条件。此外，布拉格衍射测量也被用于对自旋结构因子的监测中，这项指标是发生AFM相变的有力证明。随着温度降低，能够观察到自旋结构因子显著增加，这也标志着长程AFM序的出现。这种转变遵循理论预计的幂律发散规律，与海森堡普适性类的预测一致。

图2 “天元”量子模拟器示意图：红色和蓝色的小球分别代表自旋相反的原子，它们在三维空间交错排列，形成了反铁磁晶体；原子被光晶格囚禁在玻璃真空腔中

这项工作之所以如此引人注目，不仅因为研究人员设计出了一套足够精妙的实验探测系统，更因为它克服了长期以来存在的计算障碍。该研究团队通过实验，观察到三维系统中的AFM相变，这也为哈伯德模型中的其他低温相（如赝能隙和d波超导等）的探索提供了坚实的基础。而这些结果也将对理解高温超导和量子磁性等问题具有极其深远的现实意义，并有望在能量传输及量子计算等领域内实现变革性的应用。

尽管是一项重大的科学突破，但这项工作未来还必须进一步地解决一些技术挑战：首先，此工作中所达到的超冷温度虽足以观测AFM序，但仍不够低，无法进一步探测d波超导或赝能隙等相——这些现象需要更冷的实验环境。因此，突破温度障碍，对于充分实现强相关系统中的量子模拟而言至关重要。

其次，该工作的实验主要关注半填充（每个晶格位置一个原子）的情况，而这种结构在哈伯德模型的背景下相对容易理解。然而现实世界中的材料，包括高温超导体，会在远离半填充状态掺杂的条件下表现出丰富而复杂的行为。这项工作相对简要地探讨了掺杂对于AFM相变的影响，但仍需要更加详细的研究，才能得出与高温超导性相关且具备实际应用意义的结论。

此外，有限的晶格大小也为未来研究带来了挑战：尽管研究人员试图采用大量的晶格点来减弱这种影响，但光学晶格中残余的尺寸效应和缺陷，仍然可能对探测精度产生影响。未来的实验中，科学家们也应该努力探索降低这些不利影响的方法，例如采用更大的晶格尺寸，或改善光学晶格的均匀性，这些都是值得考虑的探索方案。

在三维FHM框架中以实验手段获得对AFM相变观测的能力，这一成就为那些令人兴奋的研究打开了大门。在未来，一个极具学术前景的方向便是将这些实验进行拓展，对掺杂系统进行更加系统的研究，特别是在量子临界点附近，那里更容易出现新的量子相。目前，理论研究已经预测了掺杂哈伯德模型中一些新奇的量子相，比如条纹序和自旋电荷分离，而这些量子相均可以使用这一量子模拟技术进行探索。此外，达到更低的温度，对于观察超导相（包括d波配对等）至关重要，而减少光学晶格中的无序性，也是实现更精确测量和减弱有限尺度效应造成不确定性的关键。而诸如量子气体显微镜这样的技术，则可通过为原子位置和自旋构型提供单点级的分辨率，在未来进一步完善我们对于强相关系统中量子相的理解。

潘建伟院士等人的工作代表了FHM模型下的量子模拟技术向前迈出了重要的一步。通过实验首次实现对三维系统中AFM相变的观察，本项研究不仅克服了长期困扰研究学者的计算障碍，还为未来更多奇异量子相的研究铺平了道路。随着实验技术的不断升级改进，我们可以期待，量子模拟将在揭示强相关电子系统的奥妙方面发挥越来越重要的作用，并将对量子技术领域未来的发展产生极其深远的影响。