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发布于 2026-03-27 / 0 阅读
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实锤了！IBM 复现真实磁性材料物理谱图，量子计算跨过关键可信性门槛（文末下载）

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量子计算商业智库

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QUANTUM COMPUTING



文丨浪味仙  排版丨浪味仙
行业动向：4100字丨10分钟阅读

内容提要


通过将量子计算结果与中子散射实验直接对标，IBM 首次在真实材料层面验证了量子模拟的定量可靠性。

在双比特门误差降至约 0.1%、并结合近似量子编译与系统性误差缓解的条件下，量子计算不仅再现了一维体系中自旋子的连续谱结构，还成功扩展至经典方法难以处理的非可积模型。

这表明当前量子计算已经跨过“可用性门槛”，具备解决真实强关联动力学问题的能力。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）

01

研究背景


在物理学中，人们一直试图回答一个根本问题：我们能否通过计算，准确预测真实材料的行为？
对于结构简单的系统，这个目标已经基本实现。但当进入“量子材料”的世界，情况发生了根本变化：这类材料中的粒子彼此强烈作用，并形成复杂的量子纠缠，使得系统的整体行为无法再通过“逐个粒子分析再叠加”的方式得到。
这带来的直接后果是：描述系统所需的信息会随着规模呈指数增长，传统计算方法很快就会失效。
量子计算因此被提出作为一种替代思路，即用量子系统来模拟量子系统。但这条路也面临现实问题：当前的量子计算机存在噪声和误差，并不能像理想模型那样精确运行。
因此，一个更关键的问题出现了：即使量子计算能运行，它的结果是否真的反映了真实物理？
IBM 这项研究的核心，就是要建立一种方法来回答：算出来的结果，如何被证明是可信的？（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）

02

计算与实验的可比性构建


要判断计算是否可信，一个自然的想法是：将计算结果与实验在同一物理量上直接对比。
但真正实施时，很快会遇到棘手问题：通常情况下，理论计算和实验测量之间存在“错位”。
该问题存在是因为，实验和计算往往并不直接描述同一个对象。实验测到的是仪器记录的信号，而计算通常得到的是模型中的能量、状态或某种理论量，二者之间往往需要经过若干转换才能对应。如果缺乏统一的物理量作为桥梁，即使结果表面一致，也难以判断其是否真实反映了物理过程。
因此，问题的关键在于需要找到一个同时满足两个条件的物理量：一方面，它是实验直接测量的结果；另一方面，它可以通过量子计算直接重建。
动态结构因子恰好满足这一要求。它描述的是：当系统受到一个局部扰动后，这种影响如何在时间和空间中传播。
我们可以通过一系列问题来感受这一物理量：如果在材料中某个位置制造一个微小扰动，这个影响会如何向外传播？传播的速度如何？在哪些区域更强？动态结构因子记录的正是这一传播过程在时间和空间中的整体表现。
在实验中，中子散射本质上就在测量这一传播过程：中子进入材料，与自旋发生作用，相当于“触发一次扰动”，随后测量这个扰动如何传播并分布在不同能量和动量上。这些实验数据采集自橡树岭国家实验室散裂中子源（SNS）和英国卢瑟福阿普尔顿实验室的中子源。
而在量子计算中，通过如下方式间接重建同一信息，从而得到与实验完全对应的谱结构。
  • 在系统中制造一个局部扰动
  • 观察不同位置随时间的响应
  • 汇总这些信息并进行转换
这一过程的关键在于：通过测量“不同位置之间的关联”，间接恢复整体传播行为。
此外，通过利用系统的对称性，仅在系统中心位置施加扰动即可恢复全局信息，能够显著降低计算复杂度，使得在几十量子比特规模上模拟成为可能。
通过这一设计，量子计算与实验不再是“间接对应”，而是在同一物理量上实现了直接对标。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）

03

分数化激发

与一维量子体系的复杂性


为了检验量子计算的能力，需要选择一个既有实验数据、又在经典计算中具有挑战性的系统。
基于上述要求，研究选择的是典型的一维量子磁体 KCuF₃，因为该系统能够体现量子多体问题最本质的困难：激发不再是“粒子”，而是“分裂的集体现象”。这是什么意思呢？
在我们的普通直觉中，一个局部扰动通常会以“整体”的形式传播，就像波一样。但在一维强关联系统中，这种直觉不再成立：一个看似简单的局部激发（例如翻转一个自旋），会分裂成两个独立传播的激发（自旋子）。这一现象被称为分数化。
我们可以把这个过程想象为：原本一个“完整的扰动”，在传播过程中被拆分成两个部分，它们不再绑定在一起，而是各自携带一部分性质继续运动。
这一变化会直接改变实验中观测到的结果：原本应该出现一条清晰轨迹的激发，现在变成了一个连续分布的谱区域。这种结构被称为连续谱，它编码了系统的动力学信息：
  • 上下边界对应不同传播模式
  • 谱的亮度分布反映不同机制的权重
更进一步，在不同物理条件下，系统会表现出不同的输运行为：在某些情况下，它们传播迅速且有方向性；在另一些情况下，则传播更慢并呈现出更复杂的扩散行为。
这些差异都会体现在谱结构中，使问题不仅难算，且对精度极其敏感。
综上可知，这个问题的难点不只是“能否看到现象”，更在于是否能够准确再现这些细致的结构和分布。
这也正是该体系能成为检验量子计算能力的关键原因。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）

04

量子模拟的实现机制


在量子计算中，实现这一模拟的过程可以理解为对上述物理过程的逐步重建，其核心在于将上述物理过程映射为可执行的量子电路操作，并控制误差在可接受范围内。
该研究由多个机构合作完成，包括橡树岭国家实验室（ORNL）量子科学中心、普渡大学、洛斯阿拉莫斯国家实验室、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、田纳西大学以及 IBM。实验是在 IBM Quantum 的 Heron 超导量子处理器上完成的，其关键特征是：双比特门误差降低到约 0.1%（10⁻³量级）。
论文表明，这一误差水平是实现可靠模拟的关键门槛。
但仅靠硬件仍然不够。真正使模拟成为可能的，是算法层面的关键技术：
图片

近似量子编译（AQC）

时间演化本来需要很深的量子电路，而深电路在噪声下不可行。AQC 的作用，是用更短的电路近似原本很深的演化过程，其核心思想是利用张量网络方法，在经典计算中优化出一个“压缩版本”的量子电路。
没有这一技术，即使硬件误差降低，电路深度仍然会成为瓶颈。

误差缓解“组合策略”

为了进一步抑制噪声，实验采用了一整套方法：
  • 动态解耦（减少退相干）
  • Pauli Twirling（随机化误差）
  • TREX（读出误差校正）
这些方法共同作用，使得深电路仍然可以提取有效信号。

噪声的物理影响

噪声不会简单地“加误差”，而是系统性改变结果：时间上信号衰减，频率上谱被“抹宽”。这种展宽有时会看起来更接近实验，但本质上是噪声效应，而非真实物理。
实验阶段，首先需要准备系统的基态。通过参数化量子电路构造系统基态，使其尽可能逼近真实材料的初始状态。对于强关联系统而言，这一步尤为关键，因为其基态包含复杂的多体纠缠。
接下来，在系统的某一位置施加局部操作，对应于在实验中引入一个激发。该操作将系统从平衡态驱动到非平衡状态，从而触发动力学演化。
系统的时间演化通过一系列量子门实现，相当于将连续时间过程分解为离散步骤。在这一过程中，通过测量不同位置的响应，可以获得扰动传播的完整信息。
实验结果表明：量子计算得到的谱图与中子散射实验测得的谱在结构与强度分布上实现了高度一致。这种一致性不是定性“形状相似”，而是在连续谱边界、谱权重分布等细节上均保持吻合，从而构成了对量子计算结果的直接实验验证。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）
中子散射实验的结果(左)和 IBM 量子计算机辅助模拟该实验的结果(右):
图源论文
值得一提的是，尽管存在噪声，但该方法仍然有效，其原因在于所研究的物理量本身具有一定的鲁棒性。由于最终结果依赖于整体结构而非单点精度，局部误差不会完全破坏谱的主要特征，这一性质使得在当前硬件条件下仍然能够获得可靠结果。

05

模拟结果的可靠性判据


在对量子计算结果与实验进行比较时，需要从结构一致性和物理一致性两个层面进行评估。





结构层面

可以比较谱的整体形态，包括连续谱的范围、边界以及强度分布。

这一步可以确认激发分数化等基本物理机制是否被正确再现。


物理层面

需要进一步检验细节：通过分析谱中不同区域的强度分布，可以判断不同传播机制是否被正确描述；通过比较特定位置的特征，可以检验能量尺度是否准确。

为了判断结果是否可信，仅靠“看起来像”是不够的，因此研究又引入了严格的定量评估，包括三类指标：MSE（局部误差），Wasserstein 距离（整体分布差异），SSIM（结构相似性）。这些指标从不同角度评估谱的相似程度。
同时，还引入物理指标如谱权重分布、峰位置与宽度、多体纠缠（通过QFI）。结果表明，量子计算不仅再现了整体结构，还捕捉到了多体纠缠特征，这说明其不仅再现了表面结构，更触及了系统的内部性质。
此外，研究还呈现了更为关键的一点：KCuF₃ 属于可解析系统，而真正困难的问题在于不可解析模型。
因此，论文进一步模拟了包含次近邻相互作用的模型（对应 CsCoX₃），该系统无解析解且经典方法难处理。经验证，量子计算在这一体系中仍然得到稳定结果，这一点意义重大：说明量子计算已经进入经典计算无法覆盖的领域，不仅适用于已知体系，也具备探索未知物理体系的能力。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）
综上，围绕“能否通过计算预测真实材料”这一根本问题，IBM 这项研究通过将量子计算结果与真实实验直接对比，可以确认一个重要转折已经发生：
图片


量子计算不再只是展示算法，而是已经成为可用于真实科学研究的工具。

该研究不仅再现了强关联体系中的关键现象，还通过结构和物理两层检验，确认了结果的可靠性，表明即使在非容错阶段，只要硬件误差降至关键门槛、电路通过 AQC 等方法被压缩、选择对噪声鲁棒的物理量，量子计算已经可以作为研究真实物理问题的有效工具。
IBM 这一研究又实现了一种理查德·费曼的愿景：利用可控的可编程量子系统来模拟目标量子系统的性质。
随着误差进一步降低和系统规模扩大，这种能力将扩展到具有更高维度、更复杂相互作用的系统，使量子计算真正进入其最重要的应用领域，即理解经典计算无法触及的量子世界。（后台回复“IBM复现真实磁性材料”即可直接获取论文）

Reference：
https://research.ibm.com/blog/quantum-computers-take-a-step-into-real-materials-science

「END」


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