中国在量子模拟领域获世界级重大突破

世界顶级学术刊物《科学》2月4日发表的长文显示，中国科技大学科研团队在量子模拟领域获得了里程牌式的世界级重大突破。潘建伟、姚星灿、陈宇翱团队基于超冷锂-镝原子量子模拟平台，首次测得第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。

《科学》杂志审稿人认为该项工作“展示了令人惊叹的实验的杰作”，“该工作有望成为量子模拟领域的一项里程碑”。

量子科学从问世以来已孕育出原子弹、激光、晶体管、核磁共振、硬盘、GPS等新技术，成为20世纪最重要的科学发现之一。当下，量子科技革命的第二次浪潮正扑面而来，在科学界看来，它催生了量子计算、量子通信和量子测量等一批新兴技术，将极大地改变和提升人类获取、传输和处理信息等的方式和能力。

中国量子计算原型机“九章”问世。（新华社）

热通常是通过扩散传播，即从近到远温度逐渐降低，但在某些情况下它也可能以波动的形式传播。80多年前，苏联知名物理学家朗道（Lev Landau）建立了两流体理论，成功解释了氦-4液体（强相互作用玻色体系）的超流现象，并预言了熵或温度会以波的形式在超流中传播。熵波的性质与传统声波类似，它在传播过程中会逐渐衰减，朗道由此将其命名为第二声。

第二声的的传播和衰减与超流序参量直接耦合，是一种只存在于超流体中的独特量子输运现象，超流是粘滞性变成零的流体，系宏观量子现象。科学家举例称，装在一个开口杯子中的超流体可以自发地爬出来；又如普通的液体中如果产生一个旋涡，它会逐渐消失，而超流体中的旋涡却不会衰减，会永远存在下去。

在费米超流中研究第二声的衰减行为，不仅能回答“两流体理论能否描述强相互作用费米超流的低能物理”这一长期存在的问题，还能表征强相互作用费米体系在超流相变处的临界输运现象。

由强相互作用（么正）极限下的超冷费米原子形成的超流体具有极佳的纯净度与可控性，为研究第二声的衰减带来了全新机遇，这也是超冷原子量子模拟领域的重要目标之一。拟观测第二声的衰减，需要制备高品质的密度均匀费米超流，还需要发展探测微弱温度波动的方法。但尽管费米超流已被实现近20年，全球科学界在上述两项关键技术中却一直未取得突破。

在中国，中国科学技术大学潘建伟教授领衔的全球首颗量子科学实验卫星“墨子号”，自2016年8月16日发射升空以来，就一直备受国际关注，《科学美国人》将其评选为2016年度改变世界的十大创新技术。

潘建伟团队其后又在多个量子领域取得世界级的突破。此次，潘建伟、姚星灿、陈宇翱等与澳大利亚科学家胡辉合作，首次在处于强相互作用（么正）极限下的费米超流体中观测到了熵波衰减的临界发散行为，揭示了该体系存在着一个可观的相变临界区，并获得了热导率与粘滞系数等重要的输运系数。

该项研究工作为人类理解强相互作用费米体系的量子输运现象提供了重要的实验信息。

当今世界处于大变局之中，科技创新已被公认为是一个关键变量。在美国不断加紧遏制中国科技产业发展的大背景下，中国官方亦在不断强调科技的重要性。近年来，量子科技发展突飞猛进，成为新一轮科技革命和产业变革的前沿领域。

中共中央政治局在2020年10月16日就“量子科技研究和应用前景”举行了第24次集体学习，明确提出要保证对量子科技领域的资金投入，同时带动地方、企业、社会加大投入力度，这也是量子科技首次在公开层面进入到中共最高决策层的集体关注视野中。

在集体学习中，中国领导人习近平更是强调，要充分认识推动量子科技发展的重要性和紧迫性，加强量子科技发展战略谋划和系统布局。

公开报道显示，中国科大研究团队经过4年多的艰苦攻关，搭建了一个全新的超冷锂-镝原子量子模拟平台，融合发展了灰色黏团与算法冷却、盒型光势阱等先进的超冷原子调控技术，最终成功地实现了世界领先的均匀费米气体的制备。

与此同时，中国的研究团队还基于低噪声行波光晶格与高分辨原位成像技术，实验实现并理论诠释了低动量传递（约百分之五的费米动量）与高能量分辨率（优于千分之一的费米能）的布拉格谱学方法，并利用其实现了对体系密度响应的高分辨测量。

在取得上述两项关键技术突破的基础上，中国的研究团队还成功地在么正费米超流体的密度响应中观测到了第二声的信号，并获得了完整的么正费米超流体的密度响应谱，实验结果与基于耗散两流体理论的描述高度吻合。

值得祝贺的是，中国的研究团队获得了第二声的衰减率（声扩散系数），并以此准确测定了体系的热导率与粘滞系数。研究结果表明，么正费米超流体的输运系数均达到了普适的量子力学极限值。

此外，潘建伟、姚星灿、陈宇翱团队还在超流相变附近观测到了上述输运量的临界发散行为，并发现么正费米超流体具有一个可观的临界区（比液氦超流体临界区大约100倍）。这一发现为利用该体系开展进一步的量子模拟研究，进而理解强关联费米体系中的反常输运现象奠定了基础。

当下，量子领域之争已然不只是国与国之间科技的竞争。纵观世界各国对量子科技的重视，其背后无疑是对全球新一轮工业革命到来所做的准备。