量子模擬首次通過實驗驗證

近年來，量子計算機被高度寄予厚望。各領域的科研人員都希望量子計算機能處理那些對普通計算機來說過于復雜、并且在實驗上也難以觸及的問題，例如預測化學物質如何發生反應，破解加密文本等。

現在，在一篇發表在論文預印網站arXiv的新研究中，一個研究團隊利用IBM量子計算機模擬了真實的磁性材料，并得到了與中子散射實驗相吻合的結果。這標志著朝著將量子計算機用作可靠科學發現工具邁出了重要一步。

真實材料的量子模擬驗證

長期以來，對自然界的量子現象進行模擬，一直被視為量子計算機最主要的潛在應用之一。因為無論是設計更好的超導體，還是設計更高效的電池或新型藥物，都取決于對量子行為的理解，而這類行為往往很難用經典方法進行模擬。雖然學界一直期待量子計算機能夠解決這一挑戰，但直到現在，科學家仍不清楚當今的處理器是否已經能對真實材料進行可靠的定量模擬。

從實驗研究的角度，物理學家長期以來一直利用中子源來揭示材料的量子性質。 在這類實驗中，物理學家會將中子射向一種材料，并追蹤它們如何散射。這些散射數據可以揭示目標材料中的原子和電子是如何排列與運動的，而物理學家則可以利用這些信息來理解材料的性質，例如它的導電性、催化活性和儲能能力。

在新的研究中，團隊聚焦于一種由銅、氟和鉀組成的磁性晶體KCuF?。這是一種其性質已得到充分理解的材料，它的性質可以由經典計算機計算出來。這種材料包含磁取向并不整齊排列的原子，因此物理學家預測材料內部會出現復雜的量子相互作用模式。

研究團隊在IBM量子計算機上實現了一種被稱為“數字量子模擬”的方案。IBM量子計算機并不是把信息存儲在單個原子里，而是存儲在超導金屬環中。研究人員模擬了KCuF?被激發到一系列能態時的響應，以及所謂“分數”電子的出現——在這種現象中，材料中的電子會表現出一種集體行為，仿佛它們只擁有普通電子磁性的一部分，而這對于單個粒子來說是不可能的。

接著，他們將這些模擬結果與實驗獲得的中子散射測量結果進行了直接比較。結果表明，實驗結果與模擬結果之間有著很高的一致性。這意味著，量子處理器如今已經能夠捕捉真實材料的關鍵動力學性質。

中子散射實驗結果（左）以及IBM量子計算機輔助完成的該實驗模擬結果（右）。（圖/Y.-T. Lee et al./arXiv）

量子硬件的限制

量子模擬的準確性受到量子機器硬件條件的限制。在這項研究中，為了預測中子散射過程，IBM量子計算機會一步一步地、以很小的時間步長，模擬KCuF?晶體在受到中子撞擊后的變化。在每一步中，這臺量子計算機都會施加一系列操作，使相鄰量子比特去模仿KCuF?晶體中原子彼此影響的方式。它能夠運行的步數越多，最終的輸出就越清晰。

然而，這些操作大約每一千次中就會出現一次失敗，而這些錯誤會隨著模擬的進行不斷累積。就像一張照片每被復印一次都會變得更模糊一樣，量子計算得到的結果會變得噪聲更大，逐漸失去細節并趨于模糊。相比之下，經典模擬則保留了晶體內部動力學更清晰的特征。

但有趣的是，這種噪聲反而可能讓量子模擬比經典模擬更接近實驗數據。因為真實的實驗結果本身也會因為原子的熱運動以及探測器的限制而變得模糊。但研究人員表示，在這項研究中出現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典方法遺漏的物理。

另一個模擬

無獨有偶，在另一項相似的研究中，另一個研究團隊也利用量子計算機模擬了一種真實的磁性材料——TmMgGaO?。這是一種含有稀土元素銩（Tm）的磁性材料，它的晶體結構也使其中原子的磁取向難以有序排列，因此也被認為會表現出復雜的量子相互作用。

為了模擬這種晶體的物理性質，研究人員使用了的一臺“中性原子”量子計算機。這類計算機會把信息編碼在單個原子的量子態中，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，這臺量子計算機計算了TmMgGaO?的一些性質，例如熱容，以及它對變化磁場的響應。研究人員也同樣將他們的成果發表到了arXiv上。

材料模擬的新一步

總的來說，這些研究結果表明，當前的量子硬件結合新算法以及以量子為中心的超級計算工作流，已經可以模擬材料的某些性質，而這些性質通常難以僅憑經典方法加以預測。這也是物理學家首次把量子計算機上做出的詳細模擬結果，與來自固體材料實驗的真實數據對應了起來。隨著量子計算機開始處理那些普通超級計算機無法勝任的計算，以真實實驗檢驗量子模擬結果的能力將變得越來越重要。

未來，那些已經被充分研究過的基準材料，將被用來驗證量子計算方法，從而讓研究人員更有信心地相信，這些方法能夠準確模擬那些尚未被創造出來的材料。

#參考來源：

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

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