3 月 29 日消息，IBM 公司與學(xué)術(shù)研究人員的一項合作研究表明，量子計算機能夠復(fù)現(xiàn)真實磁性材料經(jīng)實驗測得的各項特性。這也初步證明：在實現(xiàn)完全糾錯技術(shù)之前，如今的量子設(shè)備就有望應(yīng)用于解決實際科學(xué)問題。
研究團隊在預(yù)印本平臺 arXiv 上發(fā)布的一篇新論文中介紹，來自橡樹嶺國家實驗室、普渡大學(xué)、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校以及田納西大學(xué)的科研人員，利用量子處理器計算了一種被廣泛研究的磁性化合物 —— 氟銅酸鉀（KCuF?）的能動量譜（Energy-momentum spectrum）。IBM 官方博客發(fā)文稱，計算結(jié)果與中子散射實驗的實測數(shù)據(jù)高度吻合，而中子散射正是探測材料內(nèi)部特性的主流技術(shù)手段。
洛斯阿拉莫斯國家實驗室凝聚態(tài)物理學(xué)家、該研究合著者艾倫 · 謝伊在博客中表示：“這是我見過實驗數(shù)據(jù)與量子比特模擬結(jié)果匹配度最高的研究成果，無疑重新定義了當(dāng)下量子計算機的能力上限。我對這項研究為科學(xué)界帶來的前景感到無比振奮?！?/p>
物理學(xué)與化學(xué)領(lǐng)域長期存在一大難題：如何將原子、電子的微觀量子行為，與決定材料性能的宏觀特性建立關(guān)聯(lián)。經(jīng)典計算機雖然性能強大，卻往往難以模擬這類體系 —— 因為相互作用粒子的數(shù)量會呈指數(shù)級增長，很快就會耗盡現(xiàn)有計算資源。
與之不同，量子計算機的運行規(guī)律和材料的物理底層法則完全一致。正因如此，科學(xué)家將量子計算機視為模擬量子體系的天然平臺。這一構(gòu)想最早由物理學(xué)家理查德 · 費曼在數(shù)十年前提出。
模擬與實驗精準(zhǔn)契合
為在現(xiàn)有硬件上驗證這一理論，研究團隊選定氟銅酸鉀作為研究對象，該材料的磁性早已通過中子散射技術(shù)完成大量研究。在中子散射實驗中，科學(xué)家向材料樣本發(fā)射中子并檢測其散射規(guī)律，以此探明材料內(nèi)部的自旋動力學(xué)特征，也就是微觀磁矩的相互作用與演化方式。
本次量子模擬依托 IBM 蒼鷺（Heron）量子處理器完成，實驗實測數(shù)據(jù)則分別取自美國散裂中子源和田納西實驗室，以及英國盧瑟福阿普爾頓實驗室的中子裝置。
研究人員表示，這臺量子計算機成功還原出該材料的能動量譜（即材料內(nèi)部能量隨粒子運動變化的分布圖），模擬結(jié)果與實驗觀測高度貼合。
這種高度契合意義重大：該材料的底層物理機制涉及大量相互糾纏的自旋粒子，產(chǎn)生的關(guān)聯(lián)效應(yīng)難以通過經(jīng)典算法精準(zhǔn)演算。即便是研究透徹的常見材料，科研人員也常常只能依靠近似計算，導(dǎo)致研究存在認(rèn)知盲區(qū)。
該項目首席研究員、普渡大學(xué)副教授阿爾納布 · 班納吉指出，中子散射檢測對材料本身干擾極小，能真實還原材料的本征狀態(tài)，是極具可靠性的研究手段。
他在博客中說道：“借助中子散射結(jié)果，我們能夠構(gòu)建可靠的理論模型，深入解析材料的核心特性?！?/p>
但長期以來，如何將散射實驗數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可預(yù)測的理論模型，始終是科研攻關(guān)的瓶頸。
班納吉補充道：“磁性材料積累了海量中子散射實驗數(shù)據(jù)，卻受限于經(jīng)典近似算法的短板，至今未能被充分解讀?！?/p>
混合計算研究方案
這項研究的另一重要亮點，揭示了量子計算當(dāng)下的實際應(yīng)用模式：量子設(shè)備并非要取代經(jīng)典計算系統(tǒng)，而是與傳統(tǒng)高性能計算資源融合協(xié)作。
研究團隊利用經(jīng)典計算機優(yōu)化量子電路結(jié)構(gòu)，例如精簡電路深度、減少運算步驟，從而適配當(dāng)前量子硬件的性能上限；同時還搭載了抗噪聲算法，解決現(xiàn)有量子處理器誤差易累積、噪聲難消除的核心痛點。
據(jù)IT之家了解，這套混合計算架構(gòu)，正是 IBM“量子中心超算”戰(zhàn)略的核心思路：將量子處理器與經(jīng)典超級計算機整合為一體化工作流程，讓兩類設(shè)備各司其職 —— 經(jīng)典計算機負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理與算法優(yōu)化，量子計算機專攻經(jīng)典算力無法破解的復(fù)雜運算。
在本次研究中，中子與材料自旋粒子的相互作用可以高效映射到量子電路中，讓該課題成為近期量子模擬的優(yōu)質(zhì)應(yīng)用場景。
研究團隊還提到，量子計算機天生適配自旋體系模擬；通過將材料底層物理機制編譯為量子運算，這套技術(shù)還能拓展應(yīng)用到更多種類的材料。這意味著一臺可編程量子處理器，理論上無需定制硬件，就能完成多種不同材料的建模研究。
業(yè)界一直存在核心疑問：現(xiàn)階段尚未實現(xiàn)完全糾錯的“容錯前時代”量子計算機，能否產(chǎn)出具備實用價值的科研成果？
此前，材料科學(xué)領(lǐng)域普遍認(rèn)為，只有未來更低誤差、更多量子比特的新一代量子設(shè)備，才能實現(xiàn)量子優(yōu)勢。而本項研究證實：只要精準(zhǔn)篩選研究課題，并搭配經(jīng)典計算輔助，現(xiàn)有量子設(shè)備就能提前產(chǎn)出有意義的科研成果。
該團隊成功復(fù)現(xiàn)真實材料的實驗數(shù)據(jù)，不僅為當(dāng)代量子硬件劃定了能力基準(zhǔn)，還建立了一套用量子模擬對標(biāo)物理實測的驗證體系，為行業(yè)建立技術(shù)信心筑牢關(guān)鍵基礎(chǔ)。
研究人員同時強調(diào)，該成果并不意味著高端量子硬件的研發(fā)不再必要。本次模擬經(jīng)過了嚴(yán)苛的人工優(yōu)化約束，若要將技術(shù)拓展至結(jié)構(gòu)更復(fù)雜的材料，仍需進一步提升量子比特質(zhì)量與設(shè)備整體規(guī)模。
助力新型材料研發(fā)
研究團隊計劃下一步將該研究方法拓展至高維度、相互作用更復(fù)雜的材料體系。這類材料建模難度更高，也能更直觀地檢驗量子計算相較于經(jīng)典計算的技術(shù)優(yōu)勢。
班納吉表示，研究的長遠(yuǎn)目標(biāo)是搭建實驗與模擬的閉環(huán)聯(lián)動體系：隨著量子模擬技術(shù)不斷精進，不僅能更精準(zhǔn)解讀實驗數(shù)據(jù)，還能反向指導(dǎo)定制化功能新型材料的研發(fā)設(shè)計。
這項技術(shù)將賦能多個產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：儲能、電子制造、制藥行業(yè)都高度依賴對量子相互作用的解析，以此研發(fā)全新化合物與新材料。
橡樹嶺國家實驗室量子科學(xué)中心主任特拉維斯 · 亨布爾評價道：“針對真實材料模型開展量子模擬，并與實驗表征結(jié)果相互印證，充分彰顯了量子計算對科研全流程的革新價值?！?/p>
若想深入了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)，可查閱 arXiv 平臺的相關(guān)論文。需要說明的是：arXiv 屬于預(yù)印本平臺，僅用于幫助研究人員快速交流研究成果、獲取同行反饋；該論文以及本文內(nèi)容，均未經(jīng)過正式同行評審。同行評審是科研流程中驗證研究結(jié)論真實性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
