人们对量子计算机的期望是它能解决一系列复杂任务，例如预测化学反应过程、破解加密文本等。这类设备至今未充分发挥潜力的核心原因之一是错误率偏高。

如今，物理学家首次实现了量子计算机完成的精细模拟与固体材料实验实测数据高度吻合。研究展示了如何用真实世界数据检验量子模拟结果。随着量子计算机开始处理普通超算无法胜任的计算，这一能力变得愈发重要。

两个研究团队独立完成了相关成果，并于近日公布于预印本平台arXiv。

左图为中子散射实验结果，右图为IBM量子计算机辅助模拟的同一实验结果。图片来源：Y.-T. Lee/arXiv

“我们开展这些实验的明确目的就是把量子计算机的计算结果与实测数据进行对照。”其中一篇论文第一作者、法国量子计算初创公司Pasqal的Alexandre Dauphin表示。

领导第二项研究的美国普渡大学的Arnab Banerjee则说，利用实验室中可全面分析的真实材料进行交叉验证或基准校验至关重要，“这样才能确定你模拟的东西是真正有意义的”。

模拟自然界的量子现象，例如部分材料实现零电阻导电的内在原理，长期以来被视为量子计算机最主要的潜在应用之一。研究人员希望，把量子计算机当作“虚拟实验室”，从而深入理解这类现象，并指导研发新一代材料、化学品乃至药物。

Dauphin团队模拟了一种含稀有元素铥的磁性材料。这种材料的晶体结构中，原子无法按规则排列形成统一磁取向，理论预测其会呈现复杂的量子相互作用模式。

为复现该晶体的物理特性，团队使用了Pasqal公司的中性原子量子计算机。它通过激光“光镊”束缚单个原子，以原子的量子态编码信息。研究人员采用模拟量子模拟方法，计算了该材料的热容及对外界磁场变化的响应等特性。

西班牙理论物理研究所的Daniel González-Cuadra评价道，将模型与真实材料的实验测量结果进行基准校验，“为量子模拟在材料科学中的应用树立了新标准”。

Banerjee团队则模拟了一种由铜、氟、钾构成的材料，其原子同样无法形成统一磁取向，理论上也存在复杂的量子相互作用。

该团队在IBM量子计算机上采用了数字量子模拟方案，这类计算机以超导金属回路而非单个原子存储信息。研究人员模拟了材料在不同激发能级下的响应，以及“分数化”电子行为，即材料中的电子会集体表现出仿佛只携带常规磁性一部分的特性，但这对单个粒子而言是不可能实现的。

两个团队都将模拟预测结果与中子散射实验数据进行了比对。中子散射实验在美国橡树岭国家实验室完成，通过分析中子与材料的散射过程及能量变化，揭示材料的内部微观特征。

量子计算机的模拟结果与实验数据吻合度很高。Banerjee说，随着量子模拟数据不断积累，“图像变得越来越清晰，最终看上去和中子散射实验的实测数据几乎一模一样”。

“亲眼看到数据这样呈现出来，感觉非常奇妙。”Banerjee补充道，尤其让他欣慰的是，不少研究者此前还怀疑当前的量子计算机能否实现这类模拟。

Banerjee表示，IBM量子计算机的部分计算，已经开始进入经典方法甚至现有最大超算都无法模拟的区间。而Dauphin称，Pasqal公司设备完成的部分计算，已经真正进入了量子优势阶段。

研究者表示，这两项研究提供了一种用真实结果校验量子预测的方法。在量子模拟能力越来越强的未来，这一方法将至关重要。

经过充分研究的基准材料，可用来验证量子计算方法，让研究者相信这些方法能准确模拟尚未合成的材料。“我们需要一些已知其内部规律的基准材料，这样才能对尚不存在的材料做出可靠预测。”Banerjee说。

相关论文信息：https://doi.org/10.48550/arxiv.2603.20372

https://doi.org/10.48550/arxiv.2603.15608