量子模拟首次通过实验验证

近年来，量子计算机被高度寄予厚望。各领域的科研人员都希望量子计算机能处理那些对普通计算机来说过于复杂、并且在实验上也难以触及的问题，例如预测化学物质如何发生反应，破解加密文本等。

现在，在一篇发表在论文预印网站arXiv的新研究中，一个研究团队利用IBM量子计算机模拟了真实的磁性材料，并得到了与中子散射实验相吻合的结果。这标志着朝着将量子计算机用作可靠科学发现工具迈出了重要一步。

真实材料的量子模拟验证

长期以来，对自然界的量子现象进行模拟，一直被视为量子计算机最主要的潜在应用之一。因为无论是设计更好的超导体，还是设计更高效的电池或新型药物，都取决于对量子行为的理解，而这类行为往往很难用经典方法进行模拟。虽然学界一直期待量子计算机能够解决这一挑战，但直到现在，科学家仍不清楚当今的处理器是否已经能对真实材料进行可靠的定量模拟。

从实验研究的角度，物理学家长期以来一直利用中子源来揭示材料的量子性质。 在这类实验中，物理学家会将中子射向一种材料，并追踪它们如何散射。这些散射数据可以揭示目标材料中的原子和电子是如何排列与运动的，而物理学家则可以利用这些信息来理解材料的性质，例如它的导电性、催化活性和储能能力。

在新的研究中，团队聚焦于一种由铜、氟和钾组成的磁性晶体KCuF₃。这是一种其性质已得到充分理解的材料，它的性质可以由经典计算机计算出来。这种材料包含磁取向并不整齐排列的原子，因此物理学家预测材料内部会出现复杂的量子相互作用模式。

研究团队在IBM量子计算机上实现了一种被称为“数字量子模拟”的方案。IBM量子计算机并不是把信息存储在单个原子里，而是存储在超导金属环中。研究人员模拟了KCuF₃被激发到一系列能态时的响应，以及所谓“分数”电子的出现——在这种现象中，材料中的电子会表现出一种集体行为，仿佛它们只拥有普通电子磁性的一部分，而这对于单个粒子来说是不可能的。

接着，他们将这些模拟结果与实验获得的中子散射测量结果进行了直接比较。结果表明，实验结果与模拟结果之间有着很高的一致性。这意味着，量子处理器如今已经能够捕捉真实材料的关键动力学性质。

中子散射实验结果（左）以及IBM量子计算机辅助完成的该实验模拟结果（右）。（图/Y.-T. Lee et al./arXiv）

量子硬件的限制

量子模拟的准确性受到量子机器硬件条件的限制。在这项研究中，为了预测中子散射过程，IBM量子计算机会一步一步地、以很小的时间步长，模拟KCuF₃晶体在受到中子撞击后的变化。在每一步中，这台量子计算机都会施加一系列操作，使相邻量子比特去模仿KCuF₃晶体中原子彼此影响的方式。它能够运行的步数越多，最终的输出就越清晰。

然而，这些操作大约每一千次中就会出现一次失败，而这些错误会随着模拟的进行不断累积。就像一张照片每被复印一次都会变得更模糊一样，量子计算得到的结果会变得噪声更大，逐渐失去细节并趋于模糊。相比之下，经典模拟则保留了晶体内部动力学更清晰的特征。

但有趣的是，这种噪声反而可能让量子模拟比经典模拟更接近实验数据。因为真实的实验结果本身也会因为原子的热运动以及探测器的限制而变得模糊。但研究人员表示，在这项研究中出现的这种表面上的吻合只是巧合，并不能证明量子处理器捕捉到了经典方法遗漏的物理。

另一个模拟

无独有偶，在另一项相似的研究中，另一个研究团队也利用量子计算机模拟了一种真实的磁性材料——TmMgGaO₄。这是一种含有稀土元素铥（Tm）的磁性材料，它的晶体结构也使其中原子的磁取向难以有序排列，因此也被认为会表现出复杂的量子相互作用。

为了模拟这种晶体的物理性质，研究人员使用了的一台“中性原子”量子计算机。这类计算机会把信息编码在单个原子的量子态中，而这些原子则由激光形成的光镊加以束缚。

借助一种称为“模拟量子模拟”的方法，这台量子计算机计算了TmMgGaO₄的一些性质，例如热容，以及它对变化磁场的响应。研究人员也同样将他们的成果发表到了arXiv上。

材料模拟的新一步

总的来说，这些研究结果表明，当前的量子硬件结合新算法以及以量子为中心的超级计算工作流，已经可以模拟材料的某些性质，而这些性质通常难以仅凭经典方法加以预测。这也是物理学家首次把量子计算机上做出的详细模拟结果，与来自固体材料实验的真实数据对应了起来。随着量子计算机开始处理那些普通超级计算机无法胜任的计算，以真实实验检验量子模拟结果的能力将变得越来越重要。

未来，那些已经被充分研究过的基准材料，将被用来验证量子计算方法，从而让研究人员更有信心地相信，这些方法能够准确模拟那些尚未被创造出来的材料。

#参考来源：

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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