河北
美国能源部量子科学中心（QSC，总部设在橡树岭国家实验室）的研究人员达成了一项重要里程碑，首次展示了在量子自旋材料的一维模型中，自旋电流随时间变化的数字量子模拟。这项成果现已发表于《物理评论快报》，开创了一种全新的可编程方法，利用量子计算机研究自旋——一种基本的量子变量——在材料中的输运。
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自旋输运测量是凝聚态物理的基石，让我们深入了解量子材料如何携带能量和信息。在这项工作中，由普渡大学的阿纳布·班纳吉领导的研究人员演示了量子计算机如何模拟自旋输运行为，包括弹道、扩散和超扩散（也就是比普通扩散更快、更远）运动。
这些不同的自旋输运情形，反映了材料对实验探针的根本性响应变化。模拟结果直接与实验材料进行了对比，并为理解量子材料中相干性和能量流等复杂量子现象开辟了新途径。
这些模拟为研究人员提供了实空间的动态图像，展示了自旋在微观层面是怎么演变的。QSC团队现在能够观察自旋电流在模型系统中形成和移动，而不是间接从测量数据中推断。通过揭示传输如何从简单的量子相互作用中产生，该方法清楚地展示了自旋携带的能量和信息如何在低维量子材料中流动。
Banerjee表示：“这一成就展示了量子计算如何不再只是概念验证的展示，解决材料物理中真实且跟实验相关的问题。通过在IBM量子计算机上模拟自旋传输，我们正在创造可以补充实验室测量结果的工具，并让我们有能力去探索那些本来很难研究的量子材料。”
这项合作由普渡大学和IBM的QSC成员领导，并与伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（UIUC）合作完成，使用了IBM Heron（IBM开发的量子处理器，也就是量子计算机里的“芯片”）上运行的40量子比特模拟，模拟了一维海森堡量子模型。海森堡模型是一种描述各种自旋材料的有力方法，但这些材料通常太复杂，难以用经典数值方法在大尺度上进行模拟。
研究团队采用一步一步的数字模拟方法，对由一维海森堡模型描述的真实材料系统如何随时间变化进行建模，表明当前量子计算机有助于研究真实的自旋输运问题。
这项工作的关键进展是使用了一种新算法，解决了以前方法计算效率低的问题，共同作者、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校研究生李宜庭解释道。通过使用精心设计的电路中间测量，团队展示了一种跟踪自旋电流行为的有效方法，让现在的量子计算机也能跑这些模拟。
为了验证量子模拟，研究团队直接把模拟结果和真实材料的实验数据做了对比，例如经常研究的量子磁体氟化铜钾（KCuF₃），使用了自旋塞贝克效应测量、互补数值计算以及后续的非弹性中子散射。量子模拟与数值计算之间的高度一致性表明，量子计算机是模拟量子自旋输运的一种有前景的工具。
“这项工作凸显了QSC协作方式在推动量子计算方面的优势，”橡树岭国家实验室（ORNL）QSC主任Travis Humble说，“通过整合量子计算硬件、算法开发和实验验证，团队取得了成果，这彰显了QSC的使命——在能源部负责的领域内，用量子计算机来解决实际科学问题。”
这些模拟带来的连锁影响
除了自旋输运之外，团队还展示了相同的测量方法可用于研究更广泛的量子效应，包括自旋随时间如何相互作用以及量子材料对动态变化的响应。这些新能力为模拟量子材料的自旋动力学提供了灵活工具。
该研究成果是向模拟量子材料中更复杂现象迈出的重要一步，这些现象包括热输运，也就是热量在原子尺度上如何移动。
目前，该团队利用数值模拟验证了结果，但量子计算硬件和纠错技术的持续进步有望将这些输运模拟扩展到当前方法搞不定的问题领域。这包括将这些技术应用于二维自旋系统，这些系统对于理解量子材料中的其他奇异现象及其在能源技术中的应用至关重要。
“这项研究是个很好的例子，说明量子计算机能解决那些让经典超级计算机头疼的动态问题。”IBM量子计算首席技术官杰里·周（Jerry Chow）表示，“与橡树岭国家实验室的量子科学中心一起，我们期待等量子计算机成为驱动未来计算的核心引擎后，探索更复杂的自旋输运现象。”
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