研究和设计新材料是量子力学的核心应用之一。化学家、材料科学家和物理学家专注于量子材料中的微妙相互作用，并依靠复杂的计算和实验技术来揭示这些相互作用。将微观量子相互作用与可测量材料特性联系起来的计算机模拟补充了实验数据，帮助建立结构与功能之间的联系——但经典计算机在模拟这些特性时往往力不从心。幸运的是，科学家们现在有了新的工具：量子计算机。
在一项新的预印本研究中，来自橡树岭国家实验室量子科学中心、普渡大学、洛斯阿拉莫斯实验室、伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校、田纳西大学和IBM的研究团队使用量子模拟计算了一种广泛研究的磁性材料KCuF3的能量-动量谱，结果与中子散射测量的谱图高度一致。
量子模拟采用了IBM量子Heron处理器，而实验数据则来自橡树岭国家实验室的散裂中子源和英国卢瑟福阿普尔顿实验室的中子源。这项工作再次实现了理查德·费曼的愿景：使用精确控制的可编程量子系统来模拟目标量子系统的特性。
"这是我见过的实验数据与量子比特模拟之间最令人印象深刻的匹配，它绝对提高了人们对量子计算机的期望标准，"研究合著者、洛斯阿拉莫斯国家实验室凝聚态物理学家艾伦·谢伊说。"我对这对科学意味着什么感到极其兴奋。"
通过用中子轰击KCuF3样品并测量散射中子的能量和动量，实验学家可以探测材料的动力学和结构特性。中子与系统的相互作用很弱，因此可以提供关于材料真实状态的非常干净的数据，普渡大学物理与天文学助理教授、首席研究员阿纳布·班纳吉说。当中子撞击样品时，它不会改变材料的状态或温度，只会产生最简单层面的扰动。"这意味着你可以依靠中子散射结果获得可靠的理论模型并深入了解材料，"班纳吉说。
然而，由于实验测量的量编码了许多纠缠自旋的动力学，它们在经典计算中可能极其困难。"有太多关于磁性材料的中子散射数据，由于近似经典方法的局限性，我们无法完全理解，"班纳吉说。
量子计算机长期以来一直被期望能够实现对经典方法具有挑战性的材料模拟。尽管在量子硬件和资源估算方面取得了进展，但目前的容错前量子计算机在有限的门预算下是否能够模拟真实材料仍不清楚。模拟中子散射的能量-动量谱是一个特别好的候选，因为材料中自旋与中子的相互作用可以轻松映射到量子电路。
"自旋就是量子比特就是自旋，"班纳吉说。"量子计算提供与中子散射相同的可观测量。"尽管有这种有效的映射，在当前设备上进行此类模拟的可行性仍然是个问题。"当我们开始这个项目时，我们不清楚这种模拟需要多少量子比特和门，"研究主要作者之一、IBM研究科学家比贝克·波卡雷尔说。
但正如研究显示的，量子处理器在规模和质量方面的进步对这项工作中实现的模拟精度至关重要。"这些结果真正得益于用于模拟的所有50个量子比特的低错误率，"研究合著者、IBM首席研究科学家阿比纳夫·坎达拉说。硬件进步进一步得到了噪声鲁棒算法的补充，以及使用伊利诺伊校园集群的经典计算资源来减少量子电路的电路深度。这种方法与IBM更广泛的量子中心超级计算愿景一致：将高性能计算和量子资源耦合将证明比任何一种技术单独使用更有能力和更有用于科学问题。"综合来看，最终看到你实际上可以使用量子计算机作为一种新的计算工具，现在有足够的光谱分辨率来捕获真实实验数据中的特征，这真是太棒了，"坎达拉指出。
虽然量子计算机非常适合模拟自旋哈密顿量，但通过适当的编码，它们也可以模拟与许多量子材料相关的广泛哈密顿量类别。这使得一个具有通用门的量子处理器能够模拟大量材料。"对材料现实模型及其实验表征的量子模拟是量子计算对科学发现工作流程影响的重要展示，"橡树岭国家实验室量子科学中心主任特拉维斯·汉布尔说。实际上，研究人员利用同一处理器的可编程性和通用门集来模拟另一个具有更复杂相互作用的钴基材料家族的特性。
这项工作进一步验证了量子计算机可以作为可靠的量子模拟器找到有用的应用，甚至在容错量子计算出现之前。
展望未来，研究人员计划将这种模拟应用于比KCuF3更高维度和复杂性的量子材料。班纳吉乐观地认为，进一步的现实世界材料表征及其模拟将创建一个反馈循环，改进模拟到可以用于设计新材料的程度。
Q&A
Q1：量子计算机如何帮助材料科学研究？
A：量子计算机可以模拟经典计算机难以处理的量子材料特性，特别是微观量子相互作用。研究团队使用IBM量子Heron处理器成功模拟了磁性材料KCuF3的能量-动量谱，结果与中子散射实验数据高度一致，为材料设计提供了新的计算工具。
Q2：中子散射实验为什么重要？
A：中子散射实验可以探测材料的动力学和结构特性。中子与系统相互作用很弱，提供关于材料真实状态的干净数据，不会显著改变材料的状态或温度。这些实验数据可以帮助科学家建立可靠的理论模型并深入了解材料特性。
Q3：这项研究的技术突破是什么？
A：研究团队成功使用50个量子比特的IBM量子处理器，结合噪声鲁棒算法和经典计算资源，实现了足够的光谱分辨率来捕获真实实验数据特征。这展示了量子计算机作为可靠量子模拟器的实用性，即使在容错量子计算出现之前。
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