澳大利亚研究人员推出一套迄今规模最大的量子模拟平台，旨在为探索量子材料在大尺度下的复杂行为提供新的实验路径。
据《自然》（Nature）报道，新南威尔士大学（UNSW）悉尼分校Michelle Simmons领导的团队展示了其称为“量子双胞胎”的量子模拟平台。该平台由约1.5万个可单独控制的量子点构成二维阵列。研究人员表示，该系统有望在不久后用于模拟大型强关联材料中出现的多种量子效应。
研究团队指出，随着量子技术推进，理解先进量子材料在不同条件下的表现愈发重要。虽然相关行为可借助传统计算机进行建模，但当系统规模扩大时，模拟复杂度会迅速上升并变得难以处理。由于这些现象遵循量子力学规律，利用量子系统本身进行模拟通常更为高效。
现有量子模拟路径的扩展挑战
此前，研究人员已尝试使用超冷原子、超导电路以及错位堆叠的原子薄晶体等平台开展量子模拟。不过，结构缺陷、加热引发的随机波动以及校准难度等因素，限制了这些方法在规模上的进一步扩展，使得复制由大量粒子纠缠网络主导的大型量子系统仍具挑战。
“量子双胞胎”平台的构建方式
为应对上述限制，Simmons团队将重点放在基于原子的量子点方案上。量子点是一类仅数纳米大小的半导体结构，可将单个电子限制在其中，并允许通过外部场对电子量子态进行精确调控。
在该方案中，研究人员通过将单个磷原子嵌入硅芯片来制造量子点，并将其排列为大规模、规则的方格阵列。每个量子点用于对应二维量子材料中原子的位置，同时保留对每个电子量子态的严格控制。由此形成的“量子双胞胎”平台包含约1.5万个量子点，成为目前展示的最大量子模拟平台。
以金属—绝缘体转变验证系统能力
为验证平台性能，团队调节了两项基础参数：其一为量子隧穿，用于表征电子在相邻量子点之间跃迁的难易程度；其二为现场相互作用，用于描述电子占据同一位置时的排斥强度。
研究人员通过精细调整两者之间的平衡，模拟了金属—绝缘体转变过程，即材料从电子可在晶格中自由运动的金属态，切换到因强量子关联而抑制电子运动的绝缘体态。
后续研究方向
在完成首次演示后，研究团队表示，该平台有望用于模拟更广泛的大规模量子现象，其中包括非常规且潜在的室温超导性等情形。研究人员还提出，该平台可用于研究不同量子材料之间的界面，并可能应用于药物发现以及设计用于模拟光合作用高效能量收集过程的材料。
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