香港訊 目前量子材料的發(fā)展受固有的本質(zhì)所限，阻礙了科技的發(fā)展。如想發(fā)展出穩(wěn)定的拓撲量子計算機、高溫超導(dǎo)體、高容量的信息和能量儲存等等革新的高科技，必須發(fā)掘新一代的量子材料。然而，由于新一代量子材料的電子之間存有很強的關(guān)聯(lián)效應(yīng)，加上內(nèi)在具有極其復(fù)雜的相互作用，令研究新一代量子材料變得非常困難。

科學(xué)家正在積極研究讓新一代量子材料達致穩(wěn)定的拓撲相的方法，以及如何運用拓撲相中的激發(fā)準粒子。最近，香港大學(xué)理學(xué)院物理與天文學(xué)研究部的博士后研究員嚴正博士及副教授孟子楊博士開發(fā)了一套嶄新的運算方法，可對受限量子材料的模型作出精確的計算。他們與中國礦業(yè)大學(xué)的王艷成博士、北京航空航天大學(xué)的馬女森博士以及復(fù)旦大學(xué)的戚揚教授合作，運用此算法解開了量子二聚體模型（quantum dimer model，QDM）中一個長達幾十年的難題。

他們的研究揭示了神秘粒子「任意子（vison）」之間的非平庸相互作用。任意子是拓撲序中的一種激發(fā)準粒子，攜帶有涌現(xiàn)通量（emergent flux），研究揭示了這種有用粒子的真實性質(zhì)，有機會推動技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展。研究結(jié)果已于學(xué)術(shù)期刊《npj量子材料》（npj Quantum Materials）中發(fā)表。

【背景】

日常生活中充斥著以量子材料技術(shù)制成的科技產(chǎn)品，比如硅基量子計算機、太陽能電板和鋰電池等。這些材料都屬于弱關(guān)聯(lián)系統(tǒng)，即電子自由度之間的相互作用并不主導(dǎo)，而我們對這些系統(tǒng)已經(jīng)有很深入的了解。另一方面，基于強關(guān)聯(lián)電子體系（又稱量子多體系統(tǒng)）的新一代量子材料的冒起，對于新科技發(fā)展和應(yīng)用至關(guān)重要，這些例子包以括魔角石墨烯為代表的二維摩爾（moiré） 材料、超越摩爾定律（Moore’s law）的新一代人工智能計算芯片、無損能量傳輸?shù)母邷爻瑢?dǎo)體和用以量子阻挫磁體與量子自旋液體，以及制造量子計算機的拓撲單元等。

然而，由于量子多體問題的內(nèi)在指數(shù)的復(fù)雜性，使其數(shù)以億計須遵從量子力學(xué)發(fā)生相互作用的電子甚難預(yù)測，科學(xué)家必須運用現(xiàn)代計算技術(shù)和先進的數(shù)值分析來揭示其微觀機制。同時，為了驗證量子材料微觀的有效模型，以及仿真實驗的運作，科學(xué)家須要對其進行大規(guī)模的數(shù)值模擬。這大大刺激了新的理論和數(shù)值概念，為現(xiàn)有技術(shù)不斷刷新新的邊界，有助科學(xué)家與工程師開發(fā)出更加優(yōu)秀的量子材料。

【量子二聚體模型和掃描團簇蒙特卡洛方法】

為了研究這些量子多體材料的特性，科學(xué)家首先須要建立合適的微觀模型，并通過超級計算機進行大規(guī)模數(shù)值計算，然后運用先進的物理和數(shù)學(xué)工具來分析理解計算結(jié)果，從以了解模型中包含的豐富物理（不同的物相、對溫度的反應(yīng)、壓力、電磁場的相應(yīng)等），再調(diào)整模型參數(shù)使其與實驗觀測相匹配，并估算其他的實驗現(xiàn)象。

在這些量子多體模型中，有一大類受限模型，當(dāng)中億萬量級的電子之間不但有著復(fù)雜的相互作用，與此同時，電子的行為還必須遵從某些限制規(guī)則。這些約束條件看似嚴苛、甚至有點違反常理，但實際上他們卻抓住了新一代量子材料的新奇特性。

在普通模型中，因受高能干擾而將量子材料的脆弱機制掩蓋，約束條件正正可過濾高能模型中的激發(fā)反應(yīng)（excitations），從以得到低能的有效模型；因為在低能環(huán)境中，可幫助我們更好地研究和抓住低能物理的特性，能真正地實現(xiàn)科學(xué)家渴求的量子長程糾纏和量子激發(fā)，比如三角晶格的量子二聚模型，可以幫助科學(xué)家更好地研究拓撲相及其準粒子激發(fā)。

不過，這些受限體系依舊缺乏現(xiàn)代數(shù)值方法來計算模擬。困難的是，所有模擬必須在受限的規(guī)則下進行，這就好像迫使一輛大貨車在一條蜿蜒曲折的小道中高速行駛一樣危險。港大研究團隊決意改變這種現(xiàn)狀，他們開發(fā)了一種新算法 - 掃描團簇量子蒙特卡洛算法，來全面破解三角晶格量子二聚體模型之謎。

【揭示帶有長程量子糾纏的拓撲激發(fā)】

通過新的算法，以及在天河2號超級計算機上進行大規(guī)模并行計算，港大團隊在沒有高能激發(fā)的干擾下，清晰觀測并發(fā)現(xiàn)了任意子和二聚體的激發(fā)。任意子是一種很神秘的粒子，它們總是成對出現(xiàn)，是一種拓撲序中的準粒子激發(fā)，攜帶了π 的磁通。在一般的模型中，不可能捕捉到單個任意子的信息；然而在受限體系中，團隊終于將之成功撲捉。通過新算法和隨機解析延拓技術(shù)，他們得到了單任意子、二聚體（模型中一對耦合的任意子）和任意子卷積（基于弱相互作用的任意子對）的能譜，如圖2所示。通過各種能譜之間的比較，能夠剖析出拓撲序中任意子耦合的密碼。團隊發(fā)現(xiàn)任意子并不如科學(xué)家猜想般以弱相互作用耦合，而是存在一些明顯的相互作用。

研究團隊再進一步發(fā)現(xiàn)了從拓撲序（量子自旋液體）到共振價鍵態(tài)相變點上會涌現(xiàn)出O(4)高對稱性，如圖3所示。從(a)(b)和插圖可以看到，這是一個清晰的四維球面分布并且它的半徑守恒。通過進一步地分析，研究員發(fā)現(xiàn)任意子會在四維球面上某些點上凝聚，如圖(c)(d)所示，這和理論預(yù)言基本符合。 這些揭示了任意子凝聚和臨界點的性質(zhì)。

【新的算法意味著新的可能性】

港大團隊通過本項研究清晰地剖析了拓撲序中任意子的相互作用和行為。基于這些特性，可進一步幫助科學(xué)家發(fā)展下一代的量子信息科技產(chǎn)品。孟博士說：「對于量子多體材料和模型，人們都意識到其對于社會發(fā)展的重要性，但是由于研究本身的困難程度，每一步的突破都極具意義。這次港大團隊在算法上的成功，一下子打開了研究受限量子材料模型的大門，可預(yù)期會為發(fā)展新一代量子材料帶來更多具影響力的成果。 」

【關(guān)于嚴正博士和孟子楊博士】

嚴正博士為孟子楊博士的量子模擬研究團隊中任職博士后研究員。他在復(fù)旦大學(xué)就讀博士期間，發(fā)明了初版的掃描團簇量子蒙特卡洛算法。

孟子楊博士是量子多體系統(tǒng)的蒙特卡洛仿真研究方面的專家。近期在量子材料方面剛剛做了一些突破工作，因其在天河超級計算機上的杰出研究成果榮獲中國超算中心頒發(fā)的「2020 天河之星」獎 。（《中國基建報》記者 雨聲 報道）