港大新算法　助研發新量子材料

（大公報記者 湯嘉平（文、圖））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。

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。

優勢互補｜兩地科研合作仍需拆牆

2020年10月，中共中央政治局就量子科技研究和應用前景舉行第二十四次集體學習。習近平主席在主持學習時提到，要健全政策支持體系，要加快營造推進量子科技發展的良好政策環境，形成更加有力的政策支持。孟子楊博士表示，國家十分重視量子研究，但香港的科研系統還未能與內地的銜接，導致兩地合作方面不太方便，冀打破隔閡，促進交流。嚴正博士則冀香港能效仿內地，對博士後提供更多的政策支持，尤其是在申請研究基金方面。

內地申請科研資金較容易

孟博士表示，現時內地有很多基金、資助計劃供科研團隊申請，然而有些項目並未對香港科學家開放，故在香港融入內地這方面，的確有很多脫節的地方。「就前兩天我們還在研究廣東省的一些資助項目，然後發現有些項目我們都沒有資格申請，因為我們是在香港工作。」

嚴博士表示，內地就有不少專門的博士後的科研基金或者青年基金，用來支持博士後做一些獨立創新工作，但香港這方面卻完全沒有。「我很多在內地的博士後朋友，他們就可以很容易地申請到內地的相關基金，在香港就算你想申請，而且那個基金也允許博士後申請，但學校就不允許你去申請。」

嚴博士解釋，香港一些高校會認為，博士後的合同期過短，故不支持博士後去申請這些基金項目。「他覺得你一個項目可能做一半人就走了或者怎麼樣……但其實這個問題是很容易解決的。內地的話，這個基金可以跟到你新的任職機構或者提前結束，但我覺得香港不夠靈活，至少對我們這種剛起步的科研工作者，支持力度沒有內地大。」

用途廣泛｜量子電池為手機秒充電

量子材料對人們的日常生活有多大幫助？以手機為例，手機最耗電的地方就是熒幕，但液晶顯示器其實是一種非常沒效率的發光元件，因為至少有50%被「偏振片」浪費掉了。孟子楊表示，科學家亦在設法減少能量損失，即充一次電可以用很長時間，且充電的過程大大縮短。這就離不開量子材料。

據悉，澳洲阿得雷德大學的量子物理學博士誇克（James Quach）目前正在將量子電池從理論轉化為實際產品，第一階段的目標，是要做出適合小型電子裝置的量子電池，取代手錶、手機、iPad、電腦內的傳統電池，終極目標是要打造出大型的量子電池，作為新的能源替代方案。

他說，目前傳統的充電方式，至少需要半小時至一小時以上才能完成，量子電腦將完全顛覆人們對於「充電」的想像。誇克博士表示，當擁有的量子電池數量越多，充電的效率就越高，例如一個量子電池需要一小時充滿，但若結合1000個量子電池，不到1秒鐘就能完成充電。

對此，孟子楊博士表示，量子微觀世界對大多數人而言，雖然抽象，但實際上它與生活息息相關。不單是量子電池，甚至以後鍵盤、手機都不一定需要了。「量子材料可能會以一種全新的方式出現，代替舊有的工具。有人曾假設，可能以後人類就直接用腦電波或者意識去控制雲計算了。」

話你知｜量子 宇宙中不可再分的能量

量子是指小到不可再分的那一份。宇宙中除了物質以外還有能量，能量小到不可再分的那一份叫能量子，簡稱量子。

所謂量子材料，比較公認的範疇包括了凝聚態物質中的「關聯量子系統」。這些系統或者說材料所表現的性質，難以用凝聚態物理教科書所涵蓋的單電子理論來描述。

量子材料的分類很廣泛，包括金屬—絕緣體轉變材料、磁電耦合材料、拓撲電子材料等。那些處於研究前沿的凝聚態和材料科學領域基本上都有量子材料在扮演重要角色，如超導、磁性、鐵電、光電半導體、催化、儲能、熱電、光伏轉換等領域。