量子模擬首次通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

近年來(lái)，量子計(jì)算機(jī)被高度寄予厚望。各領(lǐng)域的科研人員都希望量子計(jì)算機(jī)能處理那些對(duì)普通計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)過(guò)于復(fù)雜、并且在實(shí)驗(yàn)上也難以觸及的問(wèn)題，例如預(yù)測(cè)化學(xué)物質(zhì)如何發(fā)生反應(yīng)，破解加密文本等。

現(xiàn)在，在一篇發(fā)表在論文預(yù)印網(wǎng)站arXiv的新研究中，一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)利用IBM量子計(jì)算機(jī)模擬了真實(shí)的磁性材料，并得到了與中子散射實(shí)驗(yàn)相吻合的結(jié)果。這標(biāo)志著朝著將量子計(jì)算機(jī)用作可靠科學(xué)發(fā)現(xiàn)工具邁出了重要一步。

真實(shí)材料的量子模擬驗(yàn)證

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)自然界的量子現(xiàn)象進(jìn)行模擬，一直被視為量子計(jì)算機(jī)最主要的潛在應(yīng)用之一。因?yàn)闊o(wú)論是設(shè)計(jì)更好的超導(dǎo)體，還是設(shè)計(jì)更高效的電池或新型藥物，都取決于對(duì)量子行為的理解，而這類行為往往很難用經(jīng)典方法進(jìn)行模擬。雖然學(xué)界一直期待量子計(jì)算機(jī)能夠解決這一挑戰(zhàn)，但直到現(xiàn)在，科學(xué)家仍不清楚當(dāng)今的處理器是否已經(jīng)能對(duì)真實(shí)材料進(jìn)行可靠的定量模擬。

從實(shí)驗(yàn)研究的角度，物理學(xué)家長(zhǎng)期以來(lái)一直利用中子源來(lái)揭示材料的量子性質(zhì)。 在這類實(shí)驗(yàn)中，物理學(xué)家會(huì)將中子射向一種材料，并追蹤它們?nèi)绾紊⑸洹＿@些散射數(shù)據(jù)可以揭示目標(biāo)材料中的原子和電子是如何排列與運(yùn)動(dòng)的，而物理學(xué)家則可以利用這些信息來(lái)理解材料的性質(zhì)，例如它的導(dǎo)電性、催化活性和儲(chǔ)能能力。

在新的研究中，團(tuán)隊(duì)聚焦于一種由銅、氟和鉀組成的磁性晶體KCuF?。這是一種其性質(zhì)已得到充分理解的材料，它的性質(zhì)可以由經(jīng)典計(jì)算機(jī)計(jì)算出來(lái)。這種材料包含磁取向并不整齊排列的原子，因此物理學(xué)家預(yù)測(cè)材料內(nèi)部會(huì)出現(xiàn)復(fù)雜的量子相互作用模式。

研究團(tuán)隊(duì)在IBM量子計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了一種被稱為“數(shù)字量子模擬”的方案。IBM量子計(jì)算機(jī)并不是把信息存儲(chǔ)在單個(gè)原子里，而是存儲(chǔ)在超導(dǎo)金屬環(huán)中。研究人員模擬了KCuF?被激發(fā)到一系列能態(tài)時(shí)的響應(yīng)，以及所謂“分?jǐn)?shù)”電子的出現(xiàn)——在這種現(xiàn)象中，材料中的電子會(huì)表現(xiàn)出一種集體行為，仿佛它們只擁有普通電子磁性的一部分，而這對(duì)于單個(gè)粒子來(lái)說(shuō)是不可能的。

接著，他們將這些模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)獲得的中子散射測(cè)量結(jié)果進(jìn)行了直接比較。結(jié)果表明，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬結(jié)果之間有著很高的一致性。這意味著，量子處理器如今已經(jīng)能夠捕捉真實(shí)材料的關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)性質(zhì)。

中子散射實(shí)驗(yàn)結(jié)果（左）以及IBM量子計(jì)算機(jī)輔助完成的該實(shí)驗(yàn)?zāi)M結(jié)果（右）。（圖/Y.-T. Lee et al./arXiv）

量子硬件的限制

量子模擬的準(zhǔn)確性受到量子機(jī)器硬件條件的限制。在這項(xiàng)研究中，為了預(yù)測(cè)中子散射過(guò)程，IBM量子計(jì)算機(jī)會(huì)一步一步地、以很小的時(shí)間步長(zhǎng)，模擬KCuF?晶體在受到中子撞擊后的變化。在每一步中，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)都會(huì)施加一系列操作，使相鄰量子比特去模仿KCuF?晶體中原子彼此影響的方式。它能夠運(yùn)行的步數(shù)越多，最終的輸出就越清晰。

然而，這些操作大約每一千次中就會(huì)出現(xiàn)一次失敗，而這些錯(cuò)誤會(huì)隨著模擬的進(jìn)行不斷累積。就像一張照片每被復(fù)印一次都會(huì)變得更模糊一樣，量子計(jì)算得到的結(jié)果會(huì)變得噪聲更大，逐漸失去細(xì)節(jié)并趨于模糊。相比之下，經(jīng)典模擬則保留了晶體內(nèi)部動(dòng)力學(xué)更清晰的特征。

但有趣的是，這種噪聲反而可能讓量子模擬比經(jīng)典模擬更接近實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。因?yàn)檎鎸?shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果本身也會(huì)因?yàn)樵拥臒徇\(yùn)動(dòng)以及探測(cè)器的限制而變得模糊。但研究人員表示，在這項(xiàng)研究中出現(xiàn)的這種表面上的吻合只是巧合，并不能證明量子處理器捕捉到了經(jīng)典方法遺漏的物理。

另一個(gè)模擬

無(wú)獨(dú)有偶，在另一項(xiàng)相似的研究中，另一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)也利用量子計(jì)算機(jī)模擬了一種真實(shí)的磁性材料——TmMgGaO?。這是一種含有稀土元素銩（Tm）的磁性材料，它的晶體結(jié)構(gòu)也使其中原子的磁取向難以有序排列，因此也被認(rèn)為會(huì)表現(xiàn)出復(fù)雜的量子相互作用。

為了模擬這種晶體的物理性質(zhì)，研究人員使用了的一臺(tái)“中性原子”量子計(jì)算機(jī)。這類計(jì)算機(jī)會(huì)把信息編碼在單個(gè)原子的量子態(tài)中，而這些原子則由激光形成的光鑷加以束縛。

借助一種稱為“模擬量子模擬”的方法，這臺(tái)量子計(jì)算機(jī)計(jì)算了TmMgGaO?的一些性質(zhì)，例如熱容，以及它對(duì)變化磁場(chǎng)的響應(yīng)。研究人員也同樣將他們的成果發(fā)表到了arXiv上。

材料模擬的新一步

總的來(lái)說(shuō)，這些研究結(jié)果表明，當(dāng)前的量子硬件結(jié)合新算法以及以量子為中心的超級(jí)計(jì)算工作流，已經(jīng)可以模擬材料的某些性質(zhì)，而這些性質(zhì)通常難以僅憑經(jīng)典方法加以預(yù)測(cè)。這也是物理學(xué)家首次把量子計(jì)算機(jī)上做出的詳細(xì)模擬結(jié)果，與來(lái)自固體材料實(shí)驗(yàn)的真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)了起來(lái)。隨著量子計(jì)算機(jī)開(kāi)始處理那些普通超級(jí)計(jì)算機(jī)無(wú)法勝任的計(jì)算，以真實(shí)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)量子模擬結(jié)果的能力將變得越來(lái)越重要。

未來(lái)，那些已經(jīng)被充分研究過(guò)的基準(zhǔn)材料，將被用來(lái)驗(yàn)證量子計(jì)算方法，從而讓研究人員更有信心地相信，這些方法能夠準(zhǔn)確模擬那些尚未被創(chuàng)造出來(lái)的材料。

#參考來(lái)源：

https://www.nature.com/articles/d41586-026-00959-1

https://newsroom.ibm.com/2026-03-26-ibm-quantum-computer-accurately-simulates-real-magnetic-materials,-reproducing-national-laboratory-data

https://arxiv.org/abs/2603.15608

https://arxiv.org/abs/2603.20372

#圖片來(lái)源：

封面圖&首圖：