2026年4月13日——总部位于橡树岭国家实验室的美国能源部量子科学中心（QSC）研究团队取得重大突破，首次通过数字量子模拟展示了一维量子自旋材料模型中自旋电流随时间演变的过程。这项发表在《物理评论快报》的研究成果，为利用量子计算机研究材料中自旋（基本量子变量）的输运特性开创了全新、可编程的研究范式。

自旋输运测量是凝聚态物理学的基石，能揭示量子材料传递能量与信息的机制。在普渡大学Arnab Banerjee博士领导下，该团队通过量子计算机成功模拟了自旋在弹道输运、扩散输运及超扩散输运（比常规扩散更快更远）中的行为特征。这些不同模式代表着材料对实验探测的根本性响应差异。模拟结果与实体材料实验数据直接对照，为理解量子材料中的相干性和能量流动等复杂现象开辟了新途径。

该模拟为研究人员提供了实空间动力学图像，在微观层面展示自旋演化过程。研究团队首次实现了对模型系统中自旋电流形成与移动的直接观测，而非通过测量数据间接推断。通过揭示简单量子相互作用如何产生输运现象，该方法清晰地呈现了编码于自旋中的能量与信息在低维量子材料中的传递机制。

“这项成果证明量子计算已超越概念验证阶段，能解决材料物理中真实存在的实验性问题，”Banerjee表示，“通过在IBM量子计算机上模拟自旋输运，我们开发的工具不仅可补充实验室测量，更能拓展对难解量子材料的研究能力。”

这项由普渡大学、IBM牵头，伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）参与的合作研究，使用IBM Heron量子处理器（量子计算机核心芯片）对一维海森堡量子模型进行40量子比特模拟。海森堡模型是描述各类自旋材料的强效工具，这些材料通常因过于复杂而难以通过经典数值方法进行大规模模拟。研究团队采用分步数字模拟方法，成功复现了一维海森堡模型描述的实体材料系统随时间演化过程，证实当前量子计算机已具备研究实际自旋输运问题的能力。

论文共同作者、UIUC研究生Yi-Ting Lee指出，该研究的核心突破在于采用新型算法规避了传统方法的计算低效问题。通过精心设计的中程测量方案，团队实现了对自旋电流行为的高效追踪，使得利用现有量子计算机完成模拟成为可能。

为验证量子模拟结果，研究人员直接将模拟数据与钾铜氟化物（KCuF?）等量子磁体的实验测量结果进行比对，手段包括自旋塞贝克效应测量、辅助数值计算以及正在推进的非弹性中子散射实验。量子模拟与数值计算的高度吻合表明，量子计算机已成为模拟量子自旋输运的可靠工具。

“这项工作彰显了QSC通过协同合作推进量子计算的优势，”橡树岭国家实验室QSC主任Travis Humble评价道，“通过整合量子计算硬件、算法开发和实验验证，团队取得的成果完美诠释了QSC的使命——将量子计算机应用于能源部任务范围内的现实科学问题。”

这项研究的连锁效应远不止于自旋输运领域。研究团队证实，相同测量方法还可用于研究更广泛的量子效应，包括自旋随时间相互作用机制以及量子材料对动态变化的响应。这套新工具为模拟量子材料自旋动力学提供了灵活的研究手段。

该成果标志着向模拟量子材料更复杂现象迈出重要一步，包括原子层面的热输运过程。目前团队通过数值模拟验证了结果，而随着量子计算硬件和降噪技术的持续进步，这类输运模拟将有望攻克当前无法解决的难题，包括应用于理解量子材料奇异现象及能源技术应用的二维自旋系统研究。

“这项研究精彩诠释了量子计算机如何解决经典超级计算机难以应对的动态问题，”IBM量子中心超级计算首席技术官Jerry Chow表示，“我们期待与橡树岭国家实验室量子科学中心携手，随着量子计算逐步成为未来计算的核心引擎，共同探索更复杂的自旋输运现象。”

其他贡献者包括IBM的Jeffrey Cohn以及UIUC IBM-伊利诺伊发现加速器研究所的André Schleife。

作为能源部下属国家量子信息科学研究中心，由橡树岭国家实验室领导的QSC正在构建首个量子加速高性能计算（QHPC）国家科学生态系统。通过整合国家实验室、学术机构与行业伙伴资源，QSC致力于提升量子计算系统的计算鲁棒性、算法可扩展性和模拟精度，以推动美国创新与全球领导地位。QSC通过尖端实验验证QHPC方法的努力，正推动美国站上量子加速计算的最前沿，惠及全球科技发展。更多信息请访问qscience.org。

UT-Battelle公司为能源部科学办公室管理橡树岭国家实验室。作为美国物理科学基础研究的最大资助机构，科学办公室正着力应对当今时代最紧迫的挑战。