據英國《自然》網站30日消息，來自美國和法國的兩項最新研究利用真實材料進行實驗，將實驗結果與量子計算機模擬數據進行對比。最終顯示，模擬數據與傳統實驗結果高度一致，驗證了量子計算機在特定材料模擬問題上的有效性，也為未來模擬尚未合成的新材料建立信任基礎。

左圖為中子散射實驗結果，右圖為IBM量子計算機輔助模擬該實驗的結果。圖片來源：英國《自然》網站

長期以來，科學家希望把量子計算機當作“虛擬實驗室”，揭示超導等複雜量子現象背後的機制，並據此指導新材料乃至新藥的研發。但在此之前，一個關鍵問題必須解決：量子計算機給出的結果是否可信。

為此，法國量子計算公司Pasqal團隊選擇了一種含稀土元素銩的磁性材料作為研究對象。這種材料的晶體結構較為特殊，其內部原子的磁取向難以形成規則排列，因此被認為具有複雜的量子相互作用特徵。團隊利用一台基於“中性原子”架構的量子計算機，通過激光形成的“光鑷”捕獲單個原子，並利用其量子態來編碼信息。接着，他們對該材料的熱容以及在不同磁場條件下的響應進行了模擬計算，並將結果與實驗測量數據進行對比。

與此同時，美國普渡大學團隊則選取了一種由銅、氟和鉀構成的量子磁性材料開展研究。他們藉助IBM的超導量子計算機，採用一種被稱為“數字量子模擬”的方法，研究材料在不同能量激發狀態下的行為，併成功再現了一種被稱為“分數量子電子”的集體現象。在這種現象中，材料中的電子會以集體行為表現出彷彿只擁有部分磁性的特徵，這一點對於單個粒子而言是不可能的。

兩支團隊均將量子計算結果與中子散射實驗數據進行了交叉驗證。中子散射實驗可通過分析中子與材料相互作用後的散射特徵，揭示材料內部微觀結構及其量子行為。結果顯示，量子模擬數據與實驗結果高度一致。

通過選擇那些物理性質已被充分研究的材料作為“參照物”，可以不斷檢驗量子算法和硬件的準確性。這種將量子模擬與真實實驗相互驗證的方法，將成為量子計算走向實用化的重要一步。

相關成果以預印本形式發表於arXiv平台，尚待同行評議。