科技日报记者 张佳欣
据英国《自然》网站30日消息，来自美国和法国的两项最新研究利用真实材料进行实验，将实验结果与量子计算机模拟数据进行对比。最终显示，模拟数据与传统实验结果高度一致，验证了量子计算机在特定材料模拟问题上的有效性，也为未来模拟尚未合成的新材料建立信任基础。
长期以来，科学家希望把量子计算机当作“虚拟实验室”，揭示超导等复杂量子现象背后的机制，并据此指导新材料乃至新药的研发。但在此之前，一个关键问题必须解决：量子计算机给出的结果是否可信。
为此，法国量子计算公司Pasqal团队选择了一种含稀土元素铥的磁性材料作为研究对象。这种材料的晶体结构较为特殊，其内部原子的磁取向难以形成规则排列，因此被认为具有复杂的量子相互作用特征。团队利用一台基于“中性原子”架构的量子计算机，通过激光形成的“光镊”捕获单个原子，并利用其量子态来编码信息。接着，他们对该材料的热容以及在不同磁场条件下的响应进行了模拟计算，并将结果与实验测量数据进行对比。
与此同时，美国普渡大学团队则选取了一种由铜、氟和钾构成的量子磁性材料开展研究。他们借助IBM的超导量子计算机，采用一种被称为“数字量子模拟”的方法，研究材料在不同能量激发状态下的行为，并成功再现了一种被称为“分数量子电子”的集体现象。在这种现象中，材料中的电子会以集体行为表现出仿佛只拥有部分磁性的特征，这一点对于单个粒子而言是不可能的。
两支团队均将量子计算结果与中子散射实验数据进行了交叉验证。中子散射实验可通过分析中子与材料相互作用后的散射特征，揭示材料内部微观结构及其量子行为。结果显示，量子模拟数据与实验结果高度一致。
通过选择那些物理性质已被充分研究的材料作为“参照物”，可以不断检验量子算法和硬件的准确性。这种将量子模拟与真实实验相互验证的方法，将成为量子计算走向实用化的重要一步。
相关成果以预印本形式发表于arXiv平台，尚待同行评议。
总编辑圈点
量子计算机模拟的结果到底靠不靠谱？科研人员这次有了更有底气的答案。两支团队用量子计算机模拟了两种真实材料的量子行为，并且模拟结果与传统实验方法的实际测量数据高度吻合。量子计算机在特定领域功能强大，大家一直期待用它来模拟材料内部的微观量子世界。此次，科研团队为验证量子计算机模拟的可靠性找到了一条切实可行的路径。它也为量子计算未来在材料科学、药物研发等领域的实际应用建立了关键的信任基础。
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