香港大教物理团队新算法打破现无限造，有助了解量子质料模子

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港大物理团队新算法突破现有限定

有助了解量子质料模子

量子质料固有的多体联系关系素质使得人们难以简洁明白地解读其背后的机理，举行猜测和应用。而想要进展出基于量子质料的科技产物，好比稳健的拓扑量子盘算机、基于高温超导体的输运设置装备摆设、高容量的信息和能量储存载体等等，对付量子质料模子的底子性研究显得尤为紧张。

但是，因为新一代量子质料内部的电子之间存在很强的联系关系效应，量子多体题目具有指数庞大度，使得量子质料的研究变得非常困难。科学家们正在高兴进展新的盘算和数学东西，用以捉住这些深邃题目的素质，并有所突破。此中一个紧张研究偏向是通过模子设计和盘算，研究出让新一代量子质料到达稳健拓扑相的要领，以及相识拓扑相中引发准粒子的举动、并加以使用来记载和处置惩罚信息。

近来，香港大学理学院物理与天文学研究部的孟子杨博士量子多体模仿研究团队的博士后研究员严明博士开辟出一套创新的运算要领，可对受限量子质料的模子作出准确的盘算。这一研究不光办理了相干受限模子长达几十年的盘算困难，还大大开导了新的理论和数值观点。此算法突破了现有技能的限定，让人们可以正确盘算受限量子多体题目的诸多性子，有助于科学家与工程师开辟出更优异的量子质料。

在本次研究当中，港大研究团队开辟了一种新算法 - 扫描团簇量子蒙特卡洛算法，并在广州国度超算中间天河2号超等盘算机上举行大范围并行盘算。该项研究得到香港格外行政区研究资助局和科技部重点研发打算等机构资助。同时，本事情也受到港大-TCL团结AI研究中间“Quantum-Inspired explainable-AI”项目资助，并获港大理学院盘算研究启动打算和信息技能办事中间的支持。

严明博士（左）和孟子杨博士

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新的算法意味着新的大概性

通过本项研究，港大团队清楚地分析了拓扑序中恣意子的相互作用和动力学举动。相识这些特性可进一步关心科学家进展下一代的量子信息科技产物。

平常生存中我们每每可以见到以量子质料技能制成的科技产物，好比常用的芯片、硅基盘算机、太阳能电板和锂电池等。对付这些属于弱联系关系体系的质料，我们已经有了很深入的相识。但另一方面，学界还在不停探究基于强联系关系体系的新一代量子质料。这些质料对付新科技进展和应用至关紧张，包罗研发逾越摩尔定律（Moore’s law）的新一代人工智能盘算芯片、无损能量传输的高温超导体，以及制造量子盘算机的拓扑单位等。

孟博士说：“对付量子多体质料和模子，人们都意识到其对付社会进展的紧张性，但是因为研究自己的困难水平，每一步的突破都极具意义。此次港大团队在算法上的乐成，一下子打开了研究受限量子质料模子的大门，可预期会为进展新一代量子质料带来更多具有影响力的结果。”

差别的量子多体质料微观模子：(a) 三角晶格量子二聚体模子。(b) 实线六角形和虚线长方形分别是二聚体(dimer)和恣意子(vison)的布里元区（用以体现能量与动量的干系的周期性）。(c) 三角晶格量子二聚体模子的相图。

从共振价减态到量子自旋液体（拓扑序）历程中，恣意子、二聚体（模子中一对耦合的恣意子）和恣意子卷积（基于弱相互作用的恣意子对）的能谱。这是由于有了新的算法，才有大概得到云云清楚的引发能谱。

(a), (b), (c) 和 (d)是四维vison序参量的二维投影。插图是四维序参量的半径漫衍。(a)(b)表现在相变点周边，四维序参量是一个球面漫衍。而(c)(d)则表现进入共振价键态后，序参量凝集到四维球面的某些点上。

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关于孟博士和严博士

孟子杨博士现任香港大学理学院物理系副传授，是量子多体体系大范围数值盘算研究方面的专家。近期在量子质料方面有所突破，因其在天河超等盘算机上的良好研究结果荣获中国超算中间发表的「2020 天河之星」奖 。

严明博士现在在孟子杨博士的量子模仿研究团队中任职博士后研究员。其于复旦大学就读博士时期，发明白初版的扫描团簇量子蒙特卡洛算法。他是自旋体系量子蒙特卡洛盘算的专家，善于为困难的模子设计符合的算法方案。