哈佛大学的研究团队在二维哈伯德模型的冷原子量子模拟中，实现了体系的有效制冷，并首次进入自旋相互作用占主导的超低温区间。该研究将低熵能带绝缘体态转化为了高度强关联的多体量子态，其涵盖了包括半满和有限掺杂在内的关键参数区间，并利用经典数值模拟对温度估计和物态特征进行了交叉验证。该研究不仅攻克了长期制约光晶格费米原子系统温度瓶颈的问题，还为使用量子模拟揭示高温超导等复杂凝聚态现象开辟了道路。该成果于6月11日发表在《自然》杂志。
© Nature 研究论文以《低温区间下的中性原子哈伯德量子模拟器(A neutral-atom Hubbard quantum simulator in the cryogenic regime)》为题发表于《自然》杂志
哈伯德模型是凝聚态物理中的基本理论框架之一，用以描述晶格上相互作用的费米子系统，常被用于揭示高温超导、磁性以及关联电子现象等复杂问题的物理机制。尽管已经经过数十年的努力，尤其是在二维和掺杂情形下，该模型的精确解依然因其指数级复杂性而难以获得。量子模拟器是用于模拟这类模型的可工程化设计的量子系统，其利用量子相干性与纠缠，为求解这类问题提供了一个极具前景的替代方案。
在该研究中，研究团队采用了一种创新策略，从易于制备的极低熵带绝缘体出发，随后通过动态调控光学晶格结构和相互作用强度，将这些初始的“平庸态”近乎绝热的转化高度非平凡、强关联的反铁磁基态。
更进一步，实验还拓展至有限掺杂情形，即粒子密度偏离半满的复杂区域，这正是理论上最难处理的情况。在某些参数下，实验所测得的长程反铁磁关联强度甚至超越了现有近似数值模拟的预测，为构建可信的理论和数值模拟方法提供了关键的参考数据。
二维哈伯德模型的相图示意图，灰色虚线为此前文献中报道的最低温度，红色带表示该研究的估计温度范围。图片来源：Nature
该研究的一大亮点在于其广泛的适用性。这种技术不仅适用于哈伯德模型中常见的方型晶格，也可推广至多种晶格几何结构，例如三角晶格与kagome晶格。这些几何结构可能会承载量子自旋液体——一种具有长程纠缠与分数量子激发的奇异物态。此外，在方型晶格中引入对角隧穿项，有望实现非常规超导相，在铜氧化物高温超导研究中具有重要意义。
在这些模拟器中实现超低温不仅仅是技术上的突破，它也为实验观察此前难以企及的哈伯德模型中的复杂物态提供了可能。此前的冷原子量子模拟器受限于热噪声，难以探索如电荷有序与条纹相等现象，而这些现象在高温超导机制中起着关键作用。该研究所展示的高精度控制与冷却能力，为在冷原子体系中以前所未有的细节层级研究这些物态提供了可能。
更进一步地，该实验还体现了经典与量子计算范式之间的深度融合，成功预示着经典-量子混合算法将迎来令人振奋的可能性。过去，经典数值模拟帮助设计和优化量子模拟器，指导实验选择具有物理意义或稳定性的参数区域。而如今，量子模拟器生成的数据反过来可用作经典模拟算法的基准与训练集，提升其准确性与效率。这种双向反馈促进了两个领域的共同进步，加速了对长期未解的量子多体问题的突破进程。
最终，精确控制、可扩展系统规模与超低温这三者的结合，使得中性原子哈伯德量子模拟器站在量子技术研究的前沿。这一平台不仅能支持对模型系统中实时量子动力学与谱性质的研究，也将使物理学家能够攻克量子材料科学及更广领域中的一些最棘手问题，潜在地揭示目前所有其他方法仍无法触及的关键物理机制。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41586-025-09112-w
报道链接：
https://scienmag.com/cryogenic-neutral-atom-hubbard-quantum-simulator/