量子模拟首次获实验验证，量子计算机或将用作虚拟实验室

编辑丨coisini

长期以来，量子计算机被寄希望于解决复杂任务，例如预测化学反应或破解加密文本。然而，这些机器尚未实现这一潜力，主要原因之一是其错误率居高不下。

现在，物理学家首次将在量子计算机上完成的详细模拟结果，与从固体材料实验中收集的实验数据进行了匹配。这表明，量子模拟的结果如何能够通过真实世界的数据进行验证。

这一成果由两个研究团队独立取得，其中一项研究来自巴黎量子计算初创公司 Pasqal 等机构，另一项研究则来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校、普渡大学、IBM 等。

论文 1 地址：https://arxiv.org/abs/2603.20372

论文 2 地址：https://arxiv.org/abs/2603.15608

两项研究均将量子计算机的预测与有关材料特性的实验数据进行了对比验证，我们来看下这两项研究的研究内容。

研究 1：

低维材料由于量子涨落的增强而表现出奇异性质，这使得理解其微观起源成为凝聚态物理学的核心问题。模拟量子模拟器（Analogue quantum simulators）为在微观层面研究这些系统提供了有力手段，尤其是在量子纠缠限制经典数值方法适用性的大尺度区域。

然而，迄今为止，模拟量子模拟器主要集中于通用哈密顿量，而非针对具体材料的定量比较。

量子计算初创公司 Pasqal 联合美国洛斯阿拉莫斯国家实验室、佛罗里达州立大学等模拟了一种含有稀有元素铥的磁性材料。该材料具有一种晶体结构，其中原子无法以有序方式排列其磁取向，此前理论预测它存在复杂的量子相互作用模式。

为了模拟这种晶体的物理特性，研究团队使用了 Pasqal 公司的一款「中性原子」量子计算机，该计算机通过「光镊」技术用激光束捕获单个原子，并将信息编码在原子的量子态中。

该研究从量子模拟器获得的磁化强度测量结果与在磁性实验室设施中独立进行的测量高度吻合，从而验证了所提出的有效二维微观哈密顿量。

研究 2：

类似地，来自伊利诺伊大学厄巴纳 - 香槟分校、普渡大学、IBM 等机构的研究团队模拟了一种由铜、氟和钾构成的材料，这种材料同样含有磁取向无序的原子，并且也被预测存在复杂的量子相互作用模式。

该研究在 IBM 量子计算机上实施了一种名为「数字量子模拟」的方案，信息存储在金属的超导环路中，而非单个原子上。

研究团队模拟了该材料在被激发到一系列能量状态时的响应，以及「分数化」电子的出现。

该研究使用多种指标将模拟得到的能谱与实验测量结果进行基准比较，突显了电路深度和电路保真度对模拟精度的影响。

这项工作建立了一个框架，用于计算在强纠缠和长程相互作用这一经典方法难以处理的区域中量子材料的动力学结构因子，从而使量子模拟能够直接与实验室测量结果进行对比验证。

未来，研究人员希望，量子计算机能够用作虚拟实验室，为包括药物在内的下一代材料与化学品的研发提供指导。

参考内容：https://www.nature.com/articles/d41586-026-00959-1