港大新算法 助研發新量子材料

【大公中原网讯】量子科技的發展具有重大科學意義，會為人類生活帶來重大變革。現時量子材料的發展受本質所限，令應用方面也受到限制。若想發展出穩定的拓撲量子電腦、高溫超導體、高容量的資訊和能量儲存等等高科技，必須發掘新一代的量子材料。然而，新一代量子材料的電子之間存有很強的關聯效應，加上內在具有極其複雜的相互作用，使得發掘過程困難重重。

香港大學不久前在得到廣州天河二號超級電腦的協作下，開發了一套嶄新的運算方法，對受限量子材料的模型作出精確的計算，不僅解決了一個物理學界長達幾十年的難題，亦有助開發性能更優異的量子材料。大公報記者 湯嘉平（文、圖）

這套運算方法名為「掃描團簇量子蒙特卡洛演算法」，由香港大學物理與天文學研究部博士後嚴正及副教授孟子楊開發，獲得研究資助局、國家科技部重點研發計劃和國家自然科學基金委等機構資助，並獲港大理學院計算研究啟動計劃和資訊技術服務中心支持。他們的研究論文已在學術期刊《npj量子材料》（npj Quantum Materials）中發表。

欲了解該演算法，要從量子材料的性質說起。孟博士解釋，人們日常生活中用到的一些芯片都屬於量子材料，但它們屬於弱關聯的材料。對於弱關聯量子材料，人類已經發展出相對成熟的解構方法。

到後來，大概從20世紀70、80年代開始，一些新的量子材料出現，即強關聯量子材料。孟博士說，這樣的材料以現有的科學模式，很大程度上還是無法解決；但是這種強關聯量子材料在未來卻很有用，並能幫助解決地球的能源危機。

哈佛主動聯繫洽談合作

從微觀物理學的角度來說，強關聯量子材料較弱關聯量子材料在性質上更靈活，內裏粒子的運動更複雜。嚴博士用籃球舉例：「比如給你一個籃球丟一下，它的動向無非就是受一個引力影響，你很容易知道它大概會怎麼運動，這就像弱關聯，它就是一個粒子在一個場裏面運動，背後的物理原理比較簡單、比較好理解。但如果在籃球上面裝上磁鐵，磁鐵之間有吸引力和排斥力，當幾個籃球同時拋到空中時，情況就變得很複雜了。它們可能形成一種集體排列或者是集體運動，這種效果可能是你意想不到的，這就相當於強關聯材料。」

嚴正續說，高溫超導是一個很典型的強關聯材料。上世紀80年代有兩位科學家在這種材料中抓取了一些特徵，並簡化為模型，取名「三角晶格量子二聚體模型」。該模型表徵了很多強關聯效應，例如一些約束條件和一些相互作用。在過去，科學家在計算該模型的時候，因為其物理原理的複雜性，僅能推算大概的結果；而嚴正和孟子楊開發的新演算法，能精確地計算該模型，揭示了任意子之間的非平庸相互作用。

「我們覺得打開了一條新的道路，因為坦白講很多強關聯材料都會由於強關聯作用，都會涉及一些約束的條件，以前並不能有很好的方法來模擬。如果我們直接能夠在受限的規則條件下來模擬這些東西，勢必能幫助我們更好地了解它們背後深層次的物理。」嚴正說，今次他與嚴正博士開發的量子體系演算法，已經走在世界前列，連哈佛大學的資深教授都主動聯繫，洽談合作事宜。

演算法走在世界前列

孟子楊博士補充道，今次演算法的開發，離不開位於廣州的天河二號超級電腦。「這個計算量很龐大，並不是一個筆記本和普通電腦就可以解決的。」他說，現代的基礎科學研究，已很少「單打獨鬥」，需要有團隊合作。香港的優勢是能更快地獲取國際科學的前沿資訊，但是研究中需要用到的一些大型儀器，或者是高級的實驗平台，就要去內地，內地在這方面發展得很好。被問及之後的研究計劃，孟博士表示，前沿的研究一來競爭特別激烈，二來新的現象不斷地出現，要努力去解釋它，並往前走。