超冷原子量子模擬助力新材料研發

|作者：彭鵬1　智文靜1　孟增明2, ?
(1 山西大學科學技術史研究所）

(2 山西大學光電研究所 光量子技術與器件全國重點實驗室)

本文選自《物理》2026年第2期

摘要量子模擬作為一種“自下而上”的新興研究范式，突破了當前材料學研究面臨的復雜程度高、調控難度大等困境，有效助力了新材料的創新性研究。文章介紹了量子模擬利用超冷原子等系統，結合光晶格、人造規范場、拉曼耦合等多種技術手段，對高溫超導、拓撲絕緣和拓撲超導等重要物態進行模擬，有效助力了超導材料、拓撲材料、二維材料等一系列功能化材料的研發。

關鍵詞凝聚態物理學，超冷原子，量子模擬，新材料設計，人造規范場

01

引 言

新材料研發作為推動時代發展的主要驅動力之一，承擔著助力社會技術進步的重要角色，材料科學領域涌現出的各種創新成果，為各行各業帶來前所未有的變革和發展機遇。當前我們置身于材料科學革命的前沿，復雜的功能性材料成為創新發展的新動力。固態材料因其天然復雜性，在傳統研究中一般采用“自上而下”、“由繁到簡”的研究思路，利用真實或接近真實的材料體系，通過特殊制備或外部調節手段，將復雜體系中的某些參數向理想區域推進，力圖簡化體系或最大化某些量子效應。多年來人們根據該思路已發展出多種指向實際應用與真實材料行為的理論和計算方法，固體材料體系也在局域調控與器件集成方面取得了顯著進展。但此類方法實驗要求高、計算難度大、調控自由度難以做到完全獨立，對復雜系統的研究仍具有挑戰性[1，2]。近年來，采用“自下而上”的逆向研究思路尋找先進材料成為材料科學的一個重要研究領域，其本質是根據材料預期的性能特性來構建一個優化空間，進而形成材料性能與結構之間的復雜、非線性對應關系，同時遵循基本物理規律和材料的可實現性。而量子模擬正是采用“自下而上”的技術路線，打破傳統材料科學研究范式，在自旋軌道耦合效應、反常量子霍爾效應、哈伯德物理等領域的研究中取得突出進展，為包括拓撲材料、超導材料、磁性材料、二維材料等眾多新型材料研究開辟了新的途徑。

02

量子模擬：突破新材料研究的困境

當前，對于新材料的研發存在兩大困境：其一，固態材料的內部屬性完全由材料本身剛性結構所決定，無法靈活調控；其二，一些新奇的效應并不會出現在單粒子水平，而是由粒子的集體行為所產生。美國著名凝聚態物理學家安德森在其文章《多者異也》(More is different)中描述道：“大量基本粒子聚集的復雜集合體的行為，不能通過簡單地推斷少數粒子的性質來理解。相反，在每一個復雜層次上都將出現全新屬性，而對這些新行為的研究，我認為在本質上和其他研究一樣重要[3]。”因此，對于新材料的研究不能僅局限于對其基本組成部分獨立狀態的研究，還要考慮它們之間的相互作用。另外，隨著粒子數目的增加，系統狀態的復雜程度會呈指數增長，這將導致如果用經典計算機進行精確模擬，會耗時巨大，對于經典計算來說是無解的。

費曼在1982年曾提出過一種擺脫這一困境的方法：如果能構建一個控制良好的量子多體系統，就可以用它來模擬其他量子多體系統，而這些系統在傳統實驗或計算框架下往往難以直接研究[4]。利用傳統計算方法進行量子體系模擬時，第一步需要“教會”計算機如何計算量子力學，但如果使用一個真實的量子系統作為模擬器，因其本身便遵循量子力學規律，無需“教授”量子力學，從而可以實現以天然的方式對目標系統的高效模擬。在這一思想指導下，量子模擬逐漸發展出多條不同的實現路徑。其中一種重要方式是數字量子模擬，即在通用量子計算機框架下，將目標系統的哈密頓量或時間演化過程映射為一系列可編程的量子邏輯操作，通過量子比特和量子門序列近似實現體系的動力學或基態性質。因此，數字量子模擬的優勢在于通用性和可編程性，但目前仍受限于量子比特規模、噪聲和糾錯能力。

近年來，量子計算機研究飛速發展，科學家已經在實驗上證實了量子計算機的優越性[5]。2023年，中國科學技術大學研發的255光子“九章三號”量子優越性超越經典超算16個數量級[6]，2025年最新構建的“祖沖之三號”在處理量子隨機線路采樣問題的速度比目前最快的超級計算機快15個數量級，再次打破了超導體系量子優越性記錄[7]。然而，現階段的量子計算機只能實現對于復雜計算任務的檢驗，還難以解決一些具有實用價值的難題，量子計算機的發展整體上仍處于理論驗證和實驗探索的初級階段，對于通用量子計算機的追求仍然是一個長期的目標。

另一個重要方法是類比量子模擬。它是指通過構建一個受控的量子物理平臺，使其哈密頓量形式或相互作用結構與目標系統盡可能對應，讓體系在內稟相互作用和外加控制場作用下自然演化，并通過對實驗體系的測量來研究目標模型的物理行為。蘇黎世聯邦理工學院的Tilman Esslinger曾將類比量子模擬定義為“一種能夠重現實驗上精確定義哈密頓量的量子系統”[8]。類比量子模擬一方面使得在實驗室中探索某些難以直接實現的物理過程成為可能，例如類引力體系中的霍金輻射模擬[9]；另一方面，也為研究經典計算難以處理的復雜多體動力學行為提供了新的實驗平臺，如費米子系統中的非平衡多體局域化現象等[10]。近年來，研究人員也開始探索將數字量子模擬與類比量子模擬相結合的混合型量子模擬方案，試圖在保持類比模擬多體可擴展性的同時，引入數字化控制手段，以提升體系的靈活性和可調性[11]。

超冷原子系統利用激光冷卻和磁光阱等技術手段，將原子冷卻至接近絕對零度，進而成為可調節的宏觀量子系統。這一“自下而上”研究范式從基礎物理原理出發，利用模型近似理想的簡潔體系，通過調節自旋自由度、改變相互作用強度、引入非均勻勢場等手段構建量子多體系統，并逐步拓展至多自由度操控以提升系統復雜性，力圖模擬固態材料中的復雜相互作用機制或行為，助力基礎理論驗證與機理研究，為新型量子功能材料的研發合成開辟了新的路徑。

進行量子模擬的關鍵在于如何精準控制粒子間相互作用，超冷原子體系與凝聚態材料相比具有完全不同的能量尺度。例如，固體中電子的能隙和相互作用通常在meV—eV范圍，而光晶格中原子的能帶與相互作用僅在kHz(10-12 eV)量級，兩者相差9—12個數量級。能標的巨大差異使得超冷原子體系的量子動力學被顯著“放慢”，從而可以在實驗中對量子態演化過程進行逐步控制和實時探測，這是凝聚態體系中難以實現的。此外，冷原子的溫度可達nK，遠低于固體進入量子簡并或強關聯區所需的能量尺度，使得在研究部分量子多體問題上具有優勢，例如某些量子相變現象的實現會更加直接。另外，超冷原子具有穩定的原子能級結構、較低的原子速度、自由引入和控制的外部勢場，以及幾乎沒有晶格缺陷、雜質、自發弛豫等特點，這將有效避免退相干或不必要的環境相互作用。正是因為這些優勢，科學家利用多種技術手段結合超冷原子系統進行量子模擬，從而深入、定量地理解強關聯量子多體系統，并成功推進新型材料研究。

03

光晶格與哈伯德物理

光晶格作為超冷原子量子模擬中的一個重要技術[12]，是由激光干涉形成的類似晶體中原子周期性勢場的人工結構。不同于自由空間，在這些區域中運動的原子將受到周期性勢場的影響，原子如同放在托盤中的雞蛋一般(圖1)，被限制在相應的光晶格中，這種排列方式能夠自然地模擬出電子在真實晶體中的行為。在超冷原子系統中利用光晶格技術進行量子模擬最大的優勢在于光晶格的多自由度使其能在可調節和可控制的環境中實現復雜凝聚態模型，從而模擬固體材料的特性。

圖1　超冷原子光晶格示意圖

科學家在實驗研究中利用光晶格技術對眾多物理模型進行了成功模擬，以哈伯德模型為例，哈伯德模型能夠闡釋粒子在晶格中的運動與相互作用行為，于1963年由物理學家哈伯德提出[13]。哈伯德模型按量子統計特性，可細分為玻色—哈伯德模型[14]和費米—哈伯德模型[15]，兩者在物理現象和應用場景上存在顯著差異。

玻色—哈伯德模型解釋了玻色子在周期性光晶格中的運動，揭示出粒子間相互作用與量子隧穿效應如何影響系統的宏觀相態。利用超冷原子載入光晶格，我們能夠精細調節粒子間相互作用強度以及量子隧穿率，進而探索哈伯德模型中超流態與莫特絕緣態之間是如何相變的(圖2)。2002年格雷納(Markus Greiner)在博士期間與埃斯林格、布洛赫(Immanuel Bloch)共同研究，觀察到了玻色—哈伯德模型的莫特相變[16]。當量子隧穿效應占據主導地位時，玻色子能夠在光晶格間自由移動，系統呈現超流態。然而一旦相互作用強度與隧穿率比值發生變化時，超冷原子系統的宏觀相態將發生顯著差異。通過光晶格技術將粒子間相互作用增強時，粒子出現局域化被限制在固定的光晶格中無法進行格間跳躍，每個光學晶格間具有相同數量的原子，系統從而呈現莫特絕緣態。光晶格技術不僅使人們能夠直接觀察到哈伯德模型超流態與莫特絕緣態之間的相變過程，也為理解量子材料中的相干運動與局域行為提供了實驗依據，這將對新型超導材料與強關聯體系的設計產生重要啟示[17]。

圖2　超流體態(左)與莫特絕緣體態(右)之間的轉變

費米—哈伯德模型作為描述強關聯電子系統最簡潔的理論模型之一，對于高溫超導與磁性材料的微觀機制的理解具有重要意義[18]。安德森在觀察到費米—哈伯德模型在半充滿條件下表現出的反鐵磁絕緣行為與銅氧化物高溫超導體的母相高度相似，進而提出猜想，對費米—哈伯德模型的原理進行深入研究或許能揭示高溫超導的機理。然而，該模型涉及到復雜的量子漲落與量子糾纏現象，特別是在二維及以上維度中缺乏解析解，這一系列難題極大增加了理論與計算難度。目前實驗上已經利用光晶格、莫爾超晶格[19]、半導體量子點[20]在內的多種技術手段成功實現對費米—哈伯德模型的量子模擬。盡管玻色—哈伯德模型的莫特相變早在2002年已被觀測到，但費米—哈伯德模型存在多種對稱性破缺態之間的競爭，對理論與實驗提出新的挑戰。2008年，埃斯林格團隊在冷原子系統中首次實驗觀察到費米子系統中的莫特絕緣態[21]，這為模擬高溫超導奠定了實驗條件。2016年，格雷納團隊利用量子氣體顯微鏡實現了對超冷費米原子系統中反鐵磁關聯的空間分辨直接觀測，進一步推動了費米—哈伯德模型中磁性關聯的實驗驗證[22]。為表彰布洛赫、格雷納、埃斯林格三位先驅科學家基于光晶格中的超冷原子開創性地實現對哈伯德模型作為強相互作用多體系統的量子模擬領域的突出貢獻，他們被授予2025年度“墨子量子獎”(The Micius Quantum Prize 2025)。2023年，哈佛大學徐穆清團隊致力于探究幾何阻挫與高溫超導現象，他們借助超冷原子系統，在光晶格內成功構建了三角晶格的費米—哈伯德模型。該研究團隊通過改變晶格的參數，成功觀察到了由電子摻雜引發的鐵磁關聯和量子自旋液體候選態。該研究成功揭示出三角晶格中磁性競爭的新機制，并為銅氧化物高溫超導體的理論驗證提供新的實驗依據[23]。2024年，我國潘建偉領導的研究小組運用超冷原子光晶格技術，打造了一個大型且均勻的費米—哈伯德模型量子模擬器，并在國際上首次觀察到了反鐵磁相變現象[24]。除此之外，基于光晶格技術對量子自旋冰、自旋玻璃、材料中聲子動態行為等復雜系統的模擬也在實驗中得到成功實現[25，26]。

包括哈伯德模型在內，當前國內外眾多科學家利用超冷原子成功實現了對伊辛模型[27]、量子霍爾效應模型[28]、量子自旋霍爾效應模型[29]、量子無序態模型[30]、霍爾丹模型[31，32]、BCS理論[33]等模型的模擬，這些物理模型在凝聚態物理學中同樣至關重要。

04

人造規范場

由于超冷原子系統中的原子通常為電中性，在電場的作用下并不會表現出明顯的相對論效應或自旋動量鎖定，因此難以直接模擬電子與電磁場的相互作用，以及自旋軌道耦合所引發的固體中的諸多奇妙現象。自旋軌道耦合是帶電粒子在外部電勢場(如原子核庫侖勢或晶體勢)中運動時，由于相對論效應，在粒子的瞬時共動參考系中電場通過洛倫茲變換產生有效磁場，該有效磁場與粒子自旋所對應的磁矩發生耦合作用，從而導致能級劈裂。自旋軌道耦合并非粒子的內稟屬性，而是由自旋自由度與外部電場共同決定的重要相互作用，在自旋電子學、拓撲量子態以及相關量子材料研究中發揮著關鍵作用。

在眾多材料系統中廣泛觀察到的自旋軌道耦合現象，推動了拓撲超導體[34]、拓撲絕緣體[35]、量子自旋液體[36]的發展。由于粒子在固體材料中難以精確控制，當前實驗研究面臨的一大挑戰是如何在常溫條件下構建穩定的強自旋軌道耦合系統。科學家們正在嘗試使用精確可控的人造規范場來模擬材料內部的自旋軌道耦合效應。利用人造規范場進行量子模擬打開了自旋軌道耦合研究新的維度，為研究拓撲量子材料提供了新的可能性[37，38]。研究人員通過人造規范場實現中性原子對帶電粒子在磁場中行為的模擬，利用外部磁場調控原子的自旋和軌道自由度在實驗上實現了對中性原子量子態的精細控制。這一研究方法將實際空間維與原子的自旋態構成的合成維進行了有效結合，使得模擬此前難以觸及的物理區域成為可能，顯著拓展了量子模擬的應用范圍[39]。

2011年，美國國家標準計量局的斯皮爾曼(I. B. Spielman)在玻色子87Rb的玻色—愛因斯坦凝聚體(BEC)中，通過兩束拉曼激光耦合87Rb原子的兩個超精細能態，首次實現人造自旋軌道耦合[40]，是Rashba和Dresselhaus兩種自旋軌道耦合的疊加。費米子系統在新材料研發中同樣具有重要地位，因為自然界中多數系統都是費米子，比如電子。2012年，山西大學張靖團隊率先利用費米子40K的簡并費米氣體實現了一維的人造自旋軌道耦合[41]。2016年，張靖團隊進一步利用三束拉曼光耦合三個超精細態實現了二維費米氣體的自旋軌道耦合，通過精確調控激光的相對頻率和方向，使得自旋和動量自由度相互耦合，觀測到具有狄拉克點的拓撲能帶[42]，并進一步實現了對拓撲能帶的精確調控[43]，為研究狄拉克拓撲量子材料奠定了實驗基礎。法國國家科學研究中心的莫尼卡(Monica)在

Science

05

量子模擬助力新型二維材料研發

量子模擬技術不僅對現有材料性能進行了深入探索，而且在創造新材料方面也展現出巨大的潛力。以石墨烯為例，石墨烯以其卓越的機械強度、高導熱導電性、良好的透光性，已經被證明在高溫超導、超高速晶體管、新型傳感器等尖端技術中具有廣泛的應用潛力[52]。相較于傳統半導體，石墨烯是一個相對較新的材料，但自2004年石墨烯首次制備成功以來[53]，便迅速吸引了科研界的大量關注。

在材料科學領域，諸多非凡特性通常源自其特有的能帶結構。為定制新材料的性能，研究者必須深入研究材料的基礎物理原理。石墨烯因其獨特的線性色散特性和狄拉克點，成為探索電子輸運和拓撲現象的重要平臺(圖3)。利用量子模擬的技術手段，科學家能夠以高度可控的方式深入探索石墨烯的電子結構與動力學行為，重現具有狄拉克錐特性的能帶結構，這為開發基于石墨烯的量子器件提供了堅實的理論基礎和實驗支撐。二十年間，利用量子模擬技術對石墨烯材料特定性能進行的研究取得顯著的進展，值得注意的是，進步不僅僅局限于對材料內在特征的理解上，更拓展了材料合成和制造方法的廣度，為下一代量子材料與技術的研發奠定了堅實的基礎。

圖3 (a)石墨烯的蜂窩狀層面結構；(b)動量能量色散譜，能帶的交點處就是狄拉克點；(c)人造石墨烯的激光設計原理

光晶格技術以其結構優勢成為模擬石墨烯蜂窩結構的首選，研究人員通過精確控制激光干涉形成的周期性勢能，在超冷原子系統中構建蜂窩結構勢阱來模擬石墨烯的晶格對稱性與能帶特征。2012年，埃斯林格團隊通過在二維類蜂窩狀光晶格中加載40K費米子氣體，成功模擬出石墨烯的狄拉克點結構。該實驗首次在超冷原子系統中再現了石墨烯能帶的線性色散關系，為探索其拓撲屬性開辟了新途徑[54]。2015年，科學家們通過構建人造規范場，在光晶格內實現了中性原子的量子霍爾效應，成功模擬了石墨烯中類似的邊緣態傳輸行為[55]。這些實驗不僅證實了關于石墨烯基本電子行為的理論預測，還為拓撲材料和創新量子設備的定制化模擬提供了平臺。

單層石墨烯的特殊能帶結構已激發了研究者們的極大熱情，而當石墨烯層疊并施以輕微扭轉時，又在凝聚態物理學領域引起了巨大的震動。在固態物質中，所謂的扭轉雙層石墨烯，指的是兩個單層石墨烯在特定的微小角度下疊加所形成的莫爾超晶格。單層石墨烯的電中性點處具有狄拉克點，在其附近電子可由無質量狄拉克方程描述，并且其能量—動量關系呈現典型的線性色散，而雙層石墨烯微小的扭轉角度將引發層間電子跳躍，電子跳躍導致的能帶雜化會根據堆疊方式的不同，重構其低能區的能帶結構，從而形成周期性莫爾超晶格，出現新型干涉效應，這使得雙層石墨烯具有可調控的電子性質。通過精細調控雙層石墨烯的層間距離和相對扭轉角度，能夠改變其能帶形態與電子行為。例如，在某些“魔角”下，會形成一個長周期的莫爾超晶格，其二維體系的元胞擴大，子晶格的晶格常數遠大于原始石墨烯。這將導致電子在晶格內部的有效隧穿率指數級減小，從而使得中間子能帶趨向平帶。與此同時，電子間的庫侖相互作用只隨距離按冪律緩慢降低，因此在這個結構中的相互作用相對于轉角系統的子能帶寬度迅速增強，系統進入強關聯狀態，誘導出各種新奇的電子關聯效應，展現與哈伯德模型類似的非常規超導態和強關聯絕緣態等新奇量子相[56]。更重要的是，通過調節旋轉角度，這樣的體系具備高度可控性，而石墨烯本身又是實驗平臺中極易操作、性能優異的材料，因此成為研究強關聯電子物理的突破性體系，引發了一場材料革命，并創造了一個全新的研究領域——扭轉電子學[57]。

在石墨烯研究取得巨大飛躍后，二維材料的研究大門緩緩打開。近年來，科學家們試圖將孤立的原子平面(如MoS2、h-BN、NbSe2、Crl3等)按照精確選擇的順序組裝成異質結構(圖4)。這些原子平面與石墨烯有一項共同特性，即每層的原子都由強大的共價鍵相連接，垂直方向上卻只通過弱范德瓦耳斯力與相鄰層結合，沒有多余的價電子與其他原子成鍵，這樣的層間結構也被稱作范德瓦耳斯異質結構，如同拼樂高積木一樣，通過拼接堆疊實現材料功能的構建[58，59]。

圖4　多種單層二維材料疊加形成的范德瓦耳斯異質結構材料

傳統扭轉電子學研究的一大難點在于如何精準控制扭轉角度與層間耦合強度，預防出現晶格畸變等現象，并保證實驗的可重復性與調控靈活性。超冷原子系統因其卓越的可控性和無雜質背景，為模擬以石墨烯、范德瓦耳斯異質結構為代表的扭轉雙層二維材料提供了“可編程”“可調參數”的新平臺[60]。2020年，西班牙光子科學研究所利用超冷原子構造出雙層石墨烯結構[61]。2023年，山西大學張靖團隊成功利用超冷原子實驗平臺實現了對扭轉雙層晶格結構的量子模擬，將扭轉電子學拓展到中性原子系統。為構造出類似扭轉雙層方格晶格的人工莫爾結構，研究團隊將玻色—愛因斯坦凝聚體加載到自旋依賴的光晶格中。該實驗直接觀測到了清晰的莫爾圖案和動量空間衍射圖樣，實驗觀察到新的超流—莫特絕緣體相變機制[62]。

Science Bulletin

物理學家之所以對扭轉雙層石墨烯研究充滿興趣，不僅因為它可能成為實用的非常規超導體，更因為它有望帶領科研人員理解超導現象的本質。盡管量子模擬技術無法完全復刻石墨烯的復雜行為，但一定程度上它揭示了石墨烯奇異物理現象背后的機制。隨著量子模擬技術的廣泛應用，莫爾超晶格或將成為模擬量子晶格模型的前沿平臺，為研發具有特定電子輸運特性的材料提供理論依據和實驗支持[66]。

06

多種模擬系統百花齊放

除超冷原子系統外，多種量子模擬平臺在材料研究中同樣得到廣泛應用。光子系統作為集體行為與拓撲效應的重要工具，在室溫下即可進行操作，具有精確的局部操控能力與獨立探測優勢，對于令研究人員頭疼的退相干效應能夠天然免疫[67]。離子體系包括受限離子、囚禁離子及離子阱技術，具有較長的相干時間，適用于模擬量子多體相互作用[68，69]。電子系統有助于實現對強關聯電子行為的研究，例如構建量子點陣列模擬費米—哈伯德模型[70]。核自旋系統依托核磁共振技術，在量子相變、自旋模型等領域也得到廣泛應用[71]。此外，實驗室也成功實現利用金剛石NV色心體系對于三維手性拓撲絕緣體的模擬研究，這在凝聚態體系中是難以做到的[72]。

光子晶體作為周期性介電結構材料，具有獨特的光子能帶調控能力，已成為光子系統中模擬研究其他物理問題的重要手段。科學家們可以操控入射波函數，精確控制實驗系統初始條件，有助于推動對非線性光學中復雜現象的認識[73，74]，當前已成功模擬了諸如量子霍爾效應和集體相互作用等現象。2013年，研究人員利用光子晶體實現對二維拓撲絕緣體的模擬，呈現了光子晶體中的拓撲邊界態[75]。2023年，羅切斯特大學研究團隊開發出一種能夠控制光子糾纏頻率的量子模擬系統，實現了時間—頻率域中的量子隨機行走、布洛赫振蕩和多能級拉比振蕩的模擬[76]。

離子阱系統的高保真度和單比特分辨能力，能夠模擬量子磁性材料的相變行為，實驗成功觀察到從順磁態到鐵磁或反鐵磁有序態的轉變[77]，2016年科學家們開發出二維離子晶體結構的離子阱系統[78]。清華大學段路明團隊利用離子阱系統實現了長程橫場伊辛模型的動力學演化模擬，這是國際上最大規模的具有單比特分辨率的多離子量子模擬計算[79]。

超導電路可模擬電子的強關聯行為[80]，助力高溫超導機制研究[81]。超導量子比特陣列可模擬量子自旋系統，探尋自旋鏈中的量子相變與糾纏行為[82，83]。超導諧振腔陣列中的激發子(如微波光子)能夠模擬玻色子的莫特絕緣體—超流體相變[84]，而通過超導量子比特耦合形成的諧振腔網絡，還可用于研究拓撲相位等[85]。潘建偉團隊基于自主研發的新型超導量子比特Plasmonium，構建出作用于光子的人造規范場，首次實現光子的分數量子反常霍爾態[86]。

07

超冷原子量子模擬面臨的技術挑戰與新機遇

盡管冷原子體系在可控性方面具有顯著優勢，但隨著超冷原子理論與實驗研究的不斷深入，人們對其量子調控能力提出了更高的要求，因此在探索新奇量子物態時也暴露出若干不足與挑戰。例如，最近實現的超冷原子扭轉光晶格實驗雖在模擬扭轉量子材料方面展現出獨特優勢，但扭轉引起的能帶折疊在小扭轉角條件下會顯著縮小不同能帶之間的能隙，其尺度甚至可能下降數個量級[62]。這對能帶結構的實驗探測能力提出更高要求，需要發展新型的高分辨率能帶探測手段。同時，為避免熱漲落對能帶的影響，也亟需將原子溫度進一步降低。值得關注的是，空間冷原子實驗平臺在實現更低溫度方面展現出獨特潛力，可將原子溫度從傳統幾十納開爾文進一步降低至皮開爾文量級[87—89]，為未來高精度量子模擬提供新的可能。

此外，目前超冷原子量子模擬中常用的外勢類型仍主要限于諧振子勢和光晶格勢等，這類外勢的優勢在于實驗實現簡便，只需調控少量激光光束的失諧與偏振即可獲得。但其結構相對單一，裝載的原子氣體邊界通常較為模糊，不利于模擬更復雜或具備清晰邊界條件的量子體系。因此，下一步超冷原子實驗急需發展新的外勢調控技術。特別值得關注的是，近年來快速發展的空間光調制器(SLM)[90，91]和數字微鏡陣列(DMD)[92，93]技術為構建具有任意形狀和精確邊界的外勢提供了可能。如果將這些技術應用于超冷原子系統，可以在原則上實現任意幾何結構的勢阱或周期結構，例如可以實現平頂勢、線型與環形勢、邊界可控的盒式勢等。進一步地，通過構建類似光子晶體那樣可靈活設計的具有開邊界條件的“原子晶體”，超冷原子平臺有望在拓撲物態研究中發揮更大作用，包括實現和探測多種拓撲邊界態等新奇量子現象。

綜上，雖然超冷原子體系在量子模擬方面展現出巨大潛力，但其進一步發展仍依賴于更高精度的能帶探測、極低溫制備技術以及更加靈活可控的外勢工程。上述方向的突破將顯著拓寬超冷原子量子模擬的適用范圍，并進一步推動其在新材料研發中的應用。

08

結 語

當前科學研究范式已完成傳統實驗驅動向理論驅動的過渡，正處于計算驅動的初級階段，量子模擬正位于量子力學發展與新材料創新交匯的前沿，未來人工智能與量子模擬技術的融合，將推動材料科學邁入全新的智能驅動階段[93]。量子模擬利用其“自下而上”的研究方式，能夠優化材料特定性能，有效加速新材料的發現與設計，一定意義上實現了費曼關于“用一個可控量子系統模擬另一個”的設想。面向未來，量子模擬既需要技術層面的工程突破，也需要理論上明確可驗證的科學目標。在技術與理論的雙重推動下，我們有理由相信：量子模擬器的深入研究有望催生出一系列具有革命性功能和應用前景的新型材料。

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