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長(zhǎng)期以來(lái)，量子計(jì)算機(jī)被寄希望于解決復(fù)雜任務(wù)，例如預(yù)測(cè)化學(xué)反應(yīng)或破解加密文本。然而，這些機(jī)器尚未實(shí)現(xiàn)這一潛力，主要原因之一是其錯(cuò)誤率居高不下。

現(xiàn)在，物理學(xué)家首次將在量子計(jì)算機(jī)上完成的詳細(xì)模擬結(jié)果，與從固體材料實(shí)驗(yàn)中收集的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了匹配。這表明，量子模擬的結(jié)果如何能夠通過(guò)真實(shí)世界的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。

這一成果由兩個(gè)研究團(tuán)隊(duì)獨(dú)立取得，其中一項(xiàng)研究來(lái)自巴黎量子計(jì)算初創(chuàng)公司 Pasqal 等機(jī)構(gòu)，另一項(xiàng)研究則來(lái)自伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校、普渡大學(xué)、IBM 等。

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

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

兩項(xiàng)研究均將量子計(jì)算機(jī)的預(yù)測(cè)與有關(guān)材料特性的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比驗(yàn)證，我們來(lái)看下這兩項(xiàng)研究的研究?jī)?nèi)容。

研究 1：

低維材料由于量子漲落的增強(qiáng)而表現(xiàn)出奇異性質(zhì)，這使得理解其微觀起源成為凝聚態(tài)物理學(xué)的核心問(wèn)題。模擬量子模擬器（Analogue quantum simulators）為在微觀層面研究這些系統(tǒng)提供了有力手段，尤其是在量子糾纏限制經(jīng)典數(shù)值方法適用性的大尺度區(qū)域。

然而，迄今為止，模擬量子模擬器主要集中于通用哈密頓量，而非針對(duì)具體材料的定量比較。

量子計(jì)算初創(chuàng)公司 Pasqal 聯(lián)合美國(guó)洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室、佛羅里達(dá)州立大學(xué)等模擬了一種含有稀有元素銩的磁性材料。該材料具有一種晶體結(jié)構(gòu)，其中原子無(wú)法以有序方式排列其磁取向，此前理論預(yù)測(cè)它存在復(fù)雜的量子相互作用模式。

為了模擬這種晶體的物理特性，研究團(tuán)隊(duì)使用了 Pasqal 公司的一款「中性原子」量子計(jì)算機(jī)，該計(jì)算機(jī)通過(guò)「光鑷」技術(shù)用激光束捕獲單個(gè)原子，并將信息編碼在原子的量子態(tài)中。

該研究從量子模擬器獲得的磁化強(qiáng)度測(cè)量結(jié)果與在磁性實(shí)驗(yàn)室設(shè)施中獨(dú)立進(jìn)行的測(cè)量高度吻合，從而驗(yàn)證了所提出的有效二維微觀哈密頓量。

研究 2：

類(lèi)似地，來(lái)自伊利諾伊大學(xué)厄巴納 - 香檳分校、普渡大學(xué)、IBM 等機(jī)構(gòu)的研究團(tuán)隊(duì)模擬了一種由銅、氟和鉀構(gòu)成的材料，這種材料同樣含有磁取向無(wú)序的原子，并且也被預(yù)測(cè)存在復(fù)雜的量子相互作用模式。

該研究在 IBM 量子計(jì)算機(jī)上實(shí)施了一種名為「數(shù)字量子模擬」的方案，信息存儲(chǔ)在金屬的超導(dǎo)環(huán)路中，而非單個(gè)原子上。

研究團(tuán)隊(duì)模擬了該材料在被激發(fā)到一系列能量狀態(tài)時(shí)的響應(yīng)，以及「分?jǐn)?shù)化」電子的出現(xiàn)。

該研究使用多種指標(biāo)將模擬得到的能譜與實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行基準(zhǔn)比較，突顯了電路深度和電路保真度對(duì)模擬精度的影響。

這項(xiàng)工作建立了一個(gè)框架，用于計(jì)算在強(qiáng)糾纏和長(zhǎng)程相互作用這一經(jīng)典方法難以處理的區(qū)域中量子材料的動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)因子，從而使量子模擬能夠直接與實(shí)驗(yàn)室測(cè)量結(jié)果進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。

未來(lái)，研究人員希望，量子計(jì)算機(jī)能夠用作虛擬實(shí)驗(yàn)室，為包括藥物在內(nèi)的下一代材料與化學(xué)品的研發(fā)提供指導(dǎo)。

參考內(nèi)容：https://www.nature.com/articles/d41586-026-00959-1