量子科技的发展具有重大科学意义，会为人类生活带来重大变革。现时量子材料的发展受本质所限，令应用方面也受到限制。若想发展出稳定的拓扑量子计算机、高温超导体、高容量的信息系和能量储存等等高科技，必须发掘新一代的量子材料。然而，新一代量子材料的电子之间存有很强的关联效应，加上内在具有极其复杂的相互作用，使得发掘过程困难重重。

香港大学不久前在得到广州天河二号超级计算机的协作下，开发了一套崭新的运算方法，对受限量子材料的模型作出精确的计算，不仅解决了一个物理学界长达几十年的难题，亦有助开发性能更优异的量子材料。

这套运算方法名为“扫描团簇量子蒙特卡洛算法”，由香港大学物理与天文学研究部博士后严正及副教授孟子杨开发，获得研究资助局、国家科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等机构资助，并获港大理学院计算研究启动计划和信息系技术服务中心支持。他们的研究论文已在学术期刊《npj量子材料》（npj Quantum Materials）中发表。

欲了解该算法，要从量子材料的性质说起。孟博士解释，人们日常生活中用到的一些芯片都属于量子材料，但它们属于弱关联的材料。对于弱关联量子材料，人类已经发展出相对成熟的解构方法。

到后来，大概从20世纪70、80年代开始，一些新的量子材料出现，即强关联量子材料。孟博士说，这样的材料以现有的科学模式，很大程度上还是无法解决；但是这种强关联量子材料在未来却很有用，并能帮助解决地球的能源危机。

哈佛主动联系洽谈合作

从微观物理学的角度来说，强关联量子材料较弱关联量子材料在性质上更灵活，内里粒子的运动更复杂。严博士用篮球举例：“比如给你一个篮球丢一下，它的动向无非就是受一个引力影响，你很容易知道它大概会怎么运动，这就像弱关联，它就是一个粒子在一个场里面运动，背后的物理原理比较简单、比较好理解。但如果在篮球上面装上磁铁，磁铁之间有吸引力和排斥力，当几个篮球同时抛到空中时，情况就变得很复杂了。它们可能形成一种集体排列或者是集体运动，这种效果可能是你意想不到的，这就相当于强关联材料。”

严正续说，高温超导是一个很典型的强关联材料。上世纪80年代有两位科学家在这种材料中抓取了一些特征，并简化为模型，取名“三角晶格量子二聚体模型”。该模型表征了很多强关联效应，例如一些约束条件和一些相互作用。在过去，科学家在计算该模型的时候，因为其物理原理的复杂性，仅能推算大概的结果；而严正和孟子杨开发的新算法，能精确地计算该模型，揭示了任意子之间的非平庸相互作用。

“我们觉得打开了一条新的道路，因为坦白讲很多强关联材料都会由于强关联作用，都会涉及一些约束的条件，以前并不能有很好的方法来模拟。如果我们直接能够在受限的规则条件下来模拟这些东西，势必能帮助我们更好地了解它们背后深层次的物理。”严正说，今次他与严正博士开发的量子体系算法，已经走在世界前列，连哈佛大学的资深教授都主动联系，洽谈合作事宜。

算法走在世界前列

孟子杨博士补充道，今次算法的开发，离不开位于广州的天河二号超级计算机。“这个计算量很庞大，并不是一个笔记本和普通计算机就可以解决的。”他说，现代的基础科学研究，已很少“单打独斗”，需要有团队合作。香港的优势是能更快地获取国际科学的前沿信息系，但是研究中需要用到的一些大型仪器，或者是高级的实验平台，就要去内地，内地在这方面发展得很好。被问及之后的研究计划，孟博士表示，前沿的研究一来竞争特别激烈，二来新的现象不断地出现，要努力去解释它，并往前走。