2026年3月26日——研究和设计新型材料是量子力学的核心应用领域。化学家、材料科学家和物理学家聚焦于量子材料中微妙的相互作用，并依赖先进的计算与实验技术揭示这些现象。通过计算机模拟将微观量子相互作用与可测量的材料特性联系起来，可以补充实验数据以建立结构-功能关系，但经典计算机往往难以模拟这些特性。如今科学家们拥有了新工具：量子计算机。

在一项新预印本研究中，来自橡树岭国家实验室量子科学中心、普渡大学、洛斯阿拉莫斯实验室、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、田纳西大学和IBM的研究团队，利用量子模拟计算了经典磁性材料KCuF₃的能量-动量谱，其结果与中子散射测量谱显示出高度吻合（见下图）。

该团队使用IBM Quantum Heron量子处理器进行模拟，实验数据则来自橡树岭散裂中子源和英国卢瑟福·阿普尔顿实验室的中子源。这项工作实现了理查德·费曼的愿景：用高度可控的可编程量子系统来模拟目标量子系统的特性。

“这是我所见过实验数据与量子比特模拟最惊艳的匹配，无疑为量子计算机的预期性能树立了新标杆，”研究合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室凝聚态物理学家艾伦·沙伊表示，“这为科学带来的可能性令我无比振奋。”

迎接挑战

通过用中子轰击KCuF₃样本并测量散射中子的能量和动量，实验人员可以探究材料的动力学和结构特性。据项目负责人、普渡大学物理与天文系助理教授阿尔纳布·班纳吉解释，中子与系统的相互作用微弱，因此能提供反映材料真实状态的纯净数据。中子撞击样本时，对材料状态或温度的影响仅停留在最轻微扰动层面。“这意味着我们可以信赖中子散射结果来建立可靠理论模型，从而深入理解材料特性。”

然而，由于实验测量值编码了大量纠缠自旋的动力学行为，经典计算机难以精确计算这些数据。“受限于经典近似方法的不足，我们尚未完全理解海量的磁性材料中子散射数据，”班纳吉指出。

量子计算机长期被视为突破经典方法局限的材料模拟工具。尽管量子硬件和资源估算取得进展，但当前容错前量子计算机在有限门预算下能否模拟真实材料仍是未知数。模拟中子散射能量-动量谱是理想测试案例，因为材料自旋与中子的相互作用可轻松映射到量子电路。

“自旋即量子比特，量子比特即自旋，”班纳吉解释道，“量子计算提供的观测量与中子散射完全一致。”即便如此，在当前设备上实现这种模拟仍存疑问。研究主要作者之一、IBM科学家比贝克·波卡雷尔表示：“项目启动时，我们并不清楚需要多少量子比特和量子门。”

研究表明，量子处理器规模和质量的提升是实现精确模拟的关键。IBM首席科学家、合著者阿比纳夫·坎达拉指出：“模拟使用的50个量子比特均保持低错误率，这是获得准确结果的前提。”硬件进步辅以抗噪算法，以及伊利诺伊校园集群经典计算资源对量子电路深度的优化，印证了IBM“量子为中心的超算”愿景：高性能计算与量子资源的结合将比单一技术更能解决科学难题。“当看到量子计算机作为新工具首次具备足够光谱分辨率捕捉真实实验数据特征时，那种震撼无以言表，”坎达拉强调。

尽管量子计算机特别适合模拟自旋哈密顿量，但通过适当编码也能模拟多种量子材料的相关哈密顿量。橡树岭量子科学中心主任特拉维斯·汉布尔认为：“对真实材料模型进行量子模拟并与实验表征对照，有力证明了量子计算对科学发现流程的革命性影响。”研究人员利用同一处理器的可编程性和通用门组，还成功模拟了相互作用更复杂的钴基材料家族特性。

工具箱的新成员

这项工作证实，即便在容错量子计算时代来临前，量子计算机也能作为可靠模拟器发挥实用价值。接下来，研究人员计划将此类模拟应用于比KCuF₃更高维度和更复杂的量子材料。班纳吉乐观预期，真实材料表征与模拟将形成良性循环，最终推动模拟技术发展到能设计新材料的高度。