香港大学物理团队新算法突破现有限制，有助理解量子材料模型

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港大物理团队新算法突破现有限制

有助理解量子材料模型

量子材料固有的多体关联本质使得人们难以简单明了地解读其背后的机理，进行预测和应用。而想要发展出基于量子材料的科技产品，比如稳定的拓扑量子计算机、基于高温超导体的输运设备、高容量的信息和能量储存载体等等，对于量子材料模型的基础性研究显得尤为重要。

但是，由于新一代量子材料内部的电子之间存在很强的关联效应，量子多体问题具有指数复杂度，使得量子材料的研究变得非常困难。科学家们正在努力发展新的计算和数学工具，用以抓住这些艰深问题的本质，并有所突破。其中一个重要研究方向是通过模型设计和计算，研究出让新一代量子材料达到稳定拓扑相的方法，以及了解拓扑相中激发准粒子的行为、并加以利用来记录和处理信息。

最近，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拟研究团队的博士后研究员严正博士开发出一套创新的运算方法，可对受限量子材料的模型作出精确的计算。这一研究不但解决了相关受限模型长达几十年的计算难题，还大大启发了新的理论和数值概念。此算法突破了现有技术的限制，让人们可以准确计算受限量子多体问题的诸多性质，有助于科学家与工程师开发出更优秀的量子材料。

在本次研究当中，港大研究团队开发了一种新算法 - 扫描团簇量子蒙特卡洛算法，并在广州国家超算中心天河2号超级计算机上进行大规模并行计算。该项研究获得香港特别行政区研究资助局和科技部重点研发计划等机构资助。同时，本工作也受到港大-TCL联合AI研究中心“Quantum-Inspired explainable-AI”项目资助，并获港大理学院计算研究启动计划和信息技术服务中心的支持。

严正博士（左）和孟子杨博士

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新的算法意味着新的可能性

通过本项研究，港大团队清晰地剖析了拓扑序中任意子的相互作用和动力学行为。了解这些特性可进一步帮助科学家发展下一代的量子信息科技产品。

日常生活中我们常常可以见到以量子材料技术制成的科技产品，比如常用的芯片、硅基计算机、太阳能电板和锂电池等。对于这些属于弱关联系统的材料，我们已经有了很深入的了解。但另一方面，学界还在不断探索基于强关联系统的新一代量子材料。这些材料对于新科技发展和应用至关重要，包括研发超越摩尔定律（Moore’s law）的新一代人工智能计算芯片、无损能量传输的高温超导体，以及制造量子计算机的拓扑单元等。

孟博士说：“对于量子多体材料和模型，人们都意识到其对于社会发展的重要性，但是由于研究本身的困难程度，每一步的突破都极具意义。这次港大团队在算法上的成功，一下子打开了研究受限量子材料模型的大门，可预期会为发展新一代量子材料带来更多具有影响力的成果。”

不同的量子多体材料微观模型：(a) 三角晶格量子二聚体模型。(b) 实线六角形和虚线长方形分别是二聚体(dimer)和任意子(vison)的布里元区（用以表现能量与动量的关系的周期性）。(c) 三角晶格量子二聚体模型的相图。

从共振价减态到量子自旋液体（拓扑序）过程中，任意子、二聚体（模型中一对耦合的任意子）和任意子卷积（基于弱相互作用的任意子对）的能谱。这是因为有了新的算法，才有可能得到如此清晰的激发能谱。

(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分布。(a)(b)表示在相变点附近，四维序参量是一个球面分布。而(c)(d)则表示进入共振价键态后，序参量凝聚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教授，是量子多体系统大规模数值计算研究方面的专家。近期在量子材料方面有所突破，因其在天河超级计算机上的杰出研究成果荣获中国超算中心颁发的「2020 天河之星」奖 。

严正博士目前在孟子杨博士的量子模拟研究团队中任职博士后研究员。其于复旦大学就读博士期间，发明了初版的扫描团簇量子蒙特卡洛算法。他是自旋系统量子蒙特卡洛计算的专家，擅长为困难的模型设计合适的算法方案。