IT之家 3 月 29 日消息，IBM 公司與學術研究人員的一項合作研究表明，量子計算機能夠復現真實磁性材料經實驗測得的各項特性。這也初步證明：在實現完全糾錯技術之前，如今的量子設備就有望應用于解決實際科學問題。

研究團隊在預印本平臺 arXiv 上發布的一篇新論文中介紹，來自橡樹嶺國家實驗室、普渡大學、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校以及田納西大學的科研人員，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 官方博客發文稱，計算結果與中子散射實驗的實測數據高度吻合，而中子散射正是探測材料內部特性的主流技術手段。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室凝聚態物理學家、該研究合著者艾倫 · 謝伊在博客中表示：“這是我見過實驗數據與量子比特模擬結果匹配度*高的研究成果，無疑重新定義了當下量子計算機的能力上限。我對這項研究為科學界帶來的前景感到無比振奮。”

物理學與化學領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聯。經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量會呈指數級增長，很快就會耗盡現有計算資源。

與之不同，量子計算機的運行規律和材料的物理底層法則完全一致。正因如此，科學家將量子計算機視為模擬量子體系的天然平臺。這一構想*早由物理學家理查德 · 費曼在數十年前提出。

模擬與實驗精準契合

為在現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完成大量研究。在中子散射實驗中，科學家向材料樣本發射中子并檢測其散射規律，以此探明材料內部的自旋動力學特征，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，實驗實測數據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（即材料內部能量隨粒子運動變化的分布圖），模擬結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，產生的關聯效應難以通過經典算法精準演算。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，導致研究存在認知盲區。

該項目首席研究員、普渡大學副教授阿爾納布 · 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，是*可靠性的研究手段。

他在博客中說道：“借助中子散射結果，我們能夠構建可靠的理論模型，深入解析材料的核心特性。”

但長期以來，如何將散射實驗數據轉化為可預測的理論模型，始終是科研攻關的瓶頸。

班納吉補充道：“磁性材料積累了海量中子散射實驗數據，卻受限于經典近似算法的短板，至今未能被充分解讀。”

混合計算研究方案

這項研究的另一重要亮點，揭示了量子計算當下的實際應用模式：量子設備并非要取代經典計算系統，而是與傳統高性能計算資源融合協作。

研究團隊利用經典計算機優化量子電路結構，例如精簡電路深度、減少運算步驟，從而適配當前量子硬件的性能上限；同時還搭載了抗噪聲算法，解決現有量子處理器誤差易累積、噪聲難消除的核心痛點。

據IT之家了解，這套混合計算架構，正是 IBM“量子中心超算”戰略的核心思路：將量子處理器與經典超級計算機整合為一體化工作流程，讓兩類設備各司其職 —— 經典計算機負責數據處理與算法優化，量子計算機專攻經典算力無法破解的復雜運算。

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質應用場景。

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，這套技術還能拓展應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。

業界一直存在核心疑問：現階段尚未實現完全糾錯的“容錯前時代”量子計算機，能否產出具備實用價值的科研成果？

此前，材料科學領域普遍認為，只有未來更低誤差、更多量子比特的新一代量子設備，才能實現量子優勢。而本項研究證實：只要精準篩選研究課題，并搭配經典計算輔助，現有量子設備就能提前產出有意義的科研成果。

該團隊成功復現真實材料的實驗數據，不僅為當代量子硬件劃定了能力基準，還建立了一套用量子模擬對標物理實測的驗證體系，為行業建立技術信心筑牢關鍵基礎。

研究人員同時強調，該成果并不意味著高端量子硬件的研發不再必要。本次模擬經過了嚴苛的人工優化約束，若要將技術拓展至結構更復雜的材料，仍需進一步提升量子比特質量與設備整體規模。

助力新型材料研發

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典計算的技術優勢。

班納吉表示，研究的長遠目標是搭建實驗與模擬的閉環聯動體系：隨著量子模擬技術不斷精進，不僅能更精準解讀實驗數據，還能反向指導定制化功能新型材料的研發設計。

這項技術將賦能多個產業領域：儲能、電子制造、制藥行業都高度依賴對量子相互作用的解析，以此研發全新化合物與新材料。

橡樹嶺國家實驗室量子科學中心主任特拉維斯 · 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。”

若想深入了解更多技術細節，可查閱 arXiv 平臺的相關論文。需要說明的是：arXiv 屬于預印本平臺，僅用于幫助研究人員快速交流研究成果、獲取同行反饋；該論文以及本文內容，均未經過正式同行評審。同行評審是科研流程中驗證研究結論真實性的關鍵環節。