2026年6月22日——即便是最尖端的量子硬件，其强大程度也取决于在其上运行的算法。量子计算的进步不仅依赖于构建更先进的系统，还在于赋能研究人员开发能够利用这些能力的新方法。正因如此，IBM从一开始就将开放获取（Open Access）置于优先地位——十年前便将第一台量子计算机部署到云端，并通过诸如近期扩展的IBM量子开放计划（IBM Quantum Open Plan）、新的课堂账户（Classroom Accounts）以及IBM量子积分计划（IBM Quantum Credits）等项目来践行这一理念。

IBM量子积分计划邀请研究人员提交高质量的项目提案，并以此获得免费、直接使用IBM量子计算机的权限，奖励完全基于技术价值。在这篇文章中，我们重点介绍该计划资助下四个近期项目，这些项目展示了由此产生的新算法和方法如何拓展当今量子硬件的应用范围。

该积分计划优先支持由新颖算法和方法驱动、具有高影响力和实用规模的研究提案。申请人——通常是终身制教职教师或专业研究人员——应展示一个清晰、可行的计划，能够从真实的量子硬件中提取有意义的成果，并能在5-10小时的量子处理单元（QPU）时间内取得进展。

在量子硬件上模拟粒子碰撞

研究动机。物理学家使用粒子对撞机来探究物质的基本结构，通过高能碰撞将能量转化为新的粒子。经典计算机无法从第一性原理出发模拟复杂的粒子碰撞，部分原因在于难以表示众多相互作用粒子的量子态。量子计算机在填补这一空白方面展现出巨大潜力。

研究成果。IBM量子积分计划的获得者Roland Farrell（加州理工学院）和Nikita Zemlevskiy（华盛顿大学）开发了一种用于碰撞模拟的量子态制备新方法，引入了一种算法，利用恒定深度的量子电路来制备粒子散射模拟所需的局域化粒子态，即“波包”。通过结合使用中间电路测量和经典前馈的W态制备技术，他们的方法避免了早期方法中的扩展性瓶颈。在他们的实验示范中，该团队使用IBM量子硬件模拟了粒子碰撞，并首次在基于门的量子模拟中观察到相互作用产生的新粒子。这项工作随后在IBM量子开发者大会上得到特别展示，Zemlevskiy在主题演讲中介绍了这些成果。

IBM量子积分计划如何支持了这项工作。Farrell和Zemlevskiy表示，量子积分对于将他们理论上的提案转变为可工作的实验示范至关重要。他们表示：“拥有超越基本IBM量子开放计划限制的运行时间，对于完善我们的模拟和错误缓解策略至关重要。”直接访问硬件进行迭代实验被证明特别有价值。Farrell说：“在量子硬件上运行实验不仅仅是一次演示。通过反复尝试不同的方案，我总能对自己模拟的系统获得更深刻的见解。”

大规模重建混合量子态

研究动机。为了理解和验证量子计算机，我们必须重建它们产生的状态——不仅仅是描述孤立系统的简化“纯”态，还包括捕捉系统如何与其环境相互作用的“混合”态。随着系统规模的增长，这项任务变得异常困难。标准的随机测量技术可以探测某些性质，但通常需要成本高昂的测量，并不适用于完整的状态重建。积分计划获得者Benoît Vermersch（格勒诺布尔阿尔卑斯大学；Quobly公司）及其前学生Matteo Votto（格勒诺布尔阿尔卑斯大学）与合作者着手开发一种方法，用于在真实实验环境中高效学习和表征大型、有噪声的量子态。

研究成果。该团队引入了一种协议，使用随机测量将量子态重建为张量网络——将其压缩成高效的经典表示，从而无需重复测量即可提取纠缠和熵等全局性质。在实验中，该团队使用IBM量子硬件重建了多达96个量子比特的纠缠态，表明该方法可扩展性远超以往方法。学到的表示还能捕捉噪声和退相干，从而通过更高效的经典后处理实现大规模的错误缓解。

IBM量子积分计划如何支持了这项工作。这项工作需要在量子硬件上进行数十万次实验运行，但Vermersch表示，积分计划提供的不仅仅是访问权限。他说：“它为你提供了动力，以及相关实验参数下的正确背景，使你的理论提案真正适应实验场景。没有实验数据，总有你无法完全预料或控制的事情。”Vermersch还强调，申请积分计划的过程很简单，IBM量子团队的支持确保了从提案到实验的平稳过渡。

推进复杂材料的量子模拟

研究动机。最有趣的量子材料通常由复杂的多体相互作用定义，这些相互作用极难用经典方法模拟。一个关键原因是阻挫，即系统的几何结构阻止了粒子相互作用被同时满足。kagome晶格，由共角三角形组成的二维网络，是一个典型例子。它自然编码了反铁磁相互作用，并产生高度简并、强纠缠的基态。准确计算这些晶格模型的基态能量是物理学中的一个核心挑战，但在量子硬件上制备这些状态通常需要对于当前设备而言过深的电路。

研究成果。量子积分计划获得者Muhammad Ahsan（拉合尔工程技术大学；国家量子计算中心）开发了一种可扩展版本的变分量子本征求解器（VQE）算法，该算法将硬件高效的拟设与一种新颖的哈密顿量校准策略相结合，以更好地匹配当前量子硬件的能力。通过将计算重组为更小、经经典优化的子问题，并在量子处理器上重新组合，他的方法在保持精度的同时减少了电路深度。在实验演示中，他计算了一个精确经典方法无法处理的103量子比特系统的基态能量。其结果接近领先的经典近似方法，同时揭示了系统的非经典特征。

IBM量子积分计划如何支持了这项工作。与其他积分计划获得者一样，Ahsan强调了硬件访问作为创新驱动力的重要性，以及与其他积分计划获得者和IBM量子团队交流方法和概念的能力。他说：“量子积分提供了对具有更低错误率分数门（fractional gates）的处理器进行早期访问的机会——这真正改变了游戏规则。”这些能力带来了更稳定的实验，而与真实量子硬件的直接交互则塑造了他的算法设计和噪声缓解方法，最终使得在真实量子系统上成功执行大规模实验成为可能。采用类似的方法，他当前的实验正在研究经典方法无法企及的更大晶格的基态性质，继续他在积分计划下的工作。

探索超越经典极限的基础物理学

研究动机。经典超级计算机通过支持量子色动力学（QCD）等物理理论的模拟，帮助物理学家研究自然的基本力。QCD描述了夸克和胶子如何相互作用形成更大的粒子，如质子和中子。这些经典模拟已在理解基础物理学方面取得了巨大进展，但由于“符号问题”等挑战，一些关键问题——包括实时动力学和某些相结构——仍然无法触及，这使得底层数学计算变得指数级复杂。

研究成果。积分计划获得者Indrakshi Raychowdhury（BITS Pilani，果阿校区；量子信息技术研究中心）花费了数十年时间开发更适合量子计算的基础物理理论的替代形式。在通过积分计划进行的最新工作中，她和合作者基于哈密顿量形式开发了量子模拟算法——利用规范场论物理自由度的量子力学描述，将问题更自然地映射到量子硬件上。这些方法旨在保持底层物理的同时，使模拟更容易处理，为研究挑战经典方法的复杂量子场论提供了一条路径。重要的是，这些基于格点规范理论和哈密顿量模拟的底层方法具有广泛的通用性，潜在应用范围从QCD到量子多体和凝聚态系统。

IBM量子积分计划如何支持了这项工作。Raychowdhury表示，积分计划帮助她弥合了理论构想与实验之间的差距。她说：“量子积分计划非常棒，因为它提供了访问最先进量子硬件[以及诸如]Qiskit插件和其他先进错误缓解技术等工具的机会。”她指出，这种扩展的访问权限使得能够对整个工作流程进行测试。她给其他申请者的建议是：确定一个经典方法不足的明确问题，构建概念验证，并使用真实的量子设备来完善和评估你的方法。

从提案到实验

这些例子为考虑向积分计划提交申请的研究人员提供了灵感和实践指导。

1. 从一个明确界定的问题开始
2. 开发新颖的技术方法
3. 准备好在真实量子硬件上进行迭代

成功的提案需要的不仅仅是一个好主意。申请人——通常是大学教师和专业研究人员——应首先在真实量子硬件上验证其方法，例如通过IBM量子开放计划免费访问硬件。最具影响力的工作来自于开发能够在真实硬件上扩展的新方法。