宇宙最冷的原子，能否成為實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼量子模擬器之夢(mèng)的鑰匙？

什么是超冷原子光晶格量子模擬？量子模擬如何助力量子計(jì)算的實(shí)現(xiàn)？9月26日，墨子沙龍邀請(qǐng)到2025年墨子量子獎(jiǎng)獲得者、慕尼黑大學(xué)教授伊曼紐爾·布洛赫（Immanuel Bloch），帶來(lái)一場(chǎng)題為“宇宙中最冷的原子，如何實(shí)現(xiàn)費(fèi)曼的量子模擬器之夢(mèng)”的前沿講座，一起了解超冷原子光晶格量子模擬這一全新跨學(xué)科領(lǐng)域誕生的始末。時(shí)值聯(lián)合國(guó)教科文組織指定的“國(guó)際量子科學(xué)與技術(shù)年”，也是現(xiàn)代量子力學(xué)誕生100周年，本次講座聚焦量子模擬技術(shù)在基礎(chǔ)物理研究中的革命性意義，以及這一領(lǐng)域的最新進(jìn)展。

多體量子系統(tǒng)因其極高的復(fù)雜性，一直是傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)難以模擬的難題。早在四十多年前，物理學(xué)家理查德·費(fèi)曼就提出了一個(gè)富有遠(yuǎn)見(jiàn)的構(gòu)想：利用一個(gè)量子系統(tǒng)模擬另一個(gè)量子系統(tǒng)，從而構(gòu)建一個(gè)能夠揭示分子、材料甚至宇宙本身奧秘的“量子模擬器”。如今，這一愿景正通過(guò)超冷原子、離子阱、超導(dǎo)和光子等多種實(shí)驗(yàn)平臺(tái)逐步實(shí)現(xiàn)。

隨后，Bloch 重點(diǎn)展示了基于超冷原子的量子模擬實(shí)驗(yàn)。科學(xué)家通過(guò)激光冷卻技術(shù)將原子冷卻至接近絕對(duì)零度，使其表現(xiàn)出顯著的量子波動(dòng)性與相干性，進(jìn)而可在光學(xué)晶格中精確操控?cái)?shù)千個(gè)原子，模擬各類(lèi)復(fù)雜現(xiàn)象。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)在原子陣列制備方面的成果也受到關(guān)注，展示了可擴(kuò)展至數(shù)萬(wàn)原子規(guī)模的發(fā)展前景。

除了基礎(chǔ)科學(xué)探索，Bloch 還指出量子技術(shù)的重要應(yīng)用之一：高精度原子光鐘。目前光學(xué)晶格鐘的精度已經(jīng)達(dá)到在整個(gè)宇宙壽命（約137億年）內(nèi)誤差不超過(guò)1秒的水平，將在導(dǎo)航、引力波探測(cè)、基礎(chǔ)物理常數(shù)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮關(guān)鍵作用，未來(lái)利用糾纏態(tài)，還能進(jìn)一步提高光鐘的精度。

Bloch 強(qiáng)調(diào)，量子模擬雖尚未實(shí)現(xiàn)通用容錯(cuò)量子計(jì)算，但已在特定問(wèn)題上成為了連接理論與實(shí)驗(yàn)的重要橋梁。隨著全球多個(gè)科研團(tuán)隊(duì)在平臺(tái)構(gòu)建與控制技術(shù)上的不斷突破，量子模擬器正成為探索“量子宇宙”的強(qiáng)大實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

本次講座在與會(huì)者中引發(fā)熱烈討論，展現(xiàn)出量子科技從理論走向?qū)嵱玫呐畈盍ΑＶv座結(jié)束后，觀眾們紛紛踴躍提問(wèn)，Bloch 教授對(duì)量子模擬在未來(lái)應(yīng)用等方面做出了詳盡的解答，為大家進(jìn)一步揭開(kāi)了量子模擬的神奇面紗。

本次活動(dòng)由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)上海研究院、上海市浦東新區(qū)南七量子科技交流中心主辦。