量子计算机模拟超导现象，迈出重要一步

快速阅读: 量子计算公司Quantinuum利用Helios-1量子计算机成功模拟Fermi-Hubbard模型，展示了量子计算机在材料科学尤其是超导性研究中的潜力，为未来量子技术发展铺平道路。

量子计算公司Quantinuum的研究人员利用新的Helios-1量子计算机模拟了一个长期用于研究超导性的数学模型。虽然这些模拟对于传统计算机来说并非不可实现，但这一进展为量子计算机成为材料科学研究的有力工具奠定了基础。

超导体能够以完美的效率导电，但目前只能在极低温度下工作，这限制了其实用性。数十年来，物理学家一直在尝试理解如何调整其结构，使其能在室温下工作。许多科学家认为答案可能来自一个名为Fermi-Hubbard模型的数学框架。Quantinuum的Henrik Dreyer表示，该模型是凝聚态物理学中最重要的模型之一。

传统计算机可以运行Fermi-Hubbard模型的优秀模拟，但在处理非常大的样本或描述随时间变化的材料时遇到困难。量子计算机有望在未来做得更好。现在，Dreyer和他的同事们在量子计算机上进行了迄今为止最大规模的Fermi-Hubbard模型模拟。

他们使用了拥有98个由钡离子组成的量子比特的Helios-1，通过激光和电磁场控制每个量子比特。为了运行模拟，研究人员通过一系列量子状态操控量子比特，然后通过测量其属性读取输出。他们的模拟包括36个费米子，这是实际超导体中存在的粒子类型，也是Fermi-Hubbard模型数学描述的对象。

要使超导体工作，费米子必须配对，实验发现有时可以通过激光照射材料来引发这种配对。Quantinuum团队模拟了这一情景——他们向量子比特发射了一束激光脉冲，然后测量了由此产生的状态，发现了模拟粒子配对的迹象。尽管模拟没有完全复制实验结果，但它捕捉到了一个动态过程，而当应用于超过几个粒子时，这对于传统计算机方法来说是非常困难的。

Dreyer说，新实验并不是对所有可能的传统计算方法的优势的严格证明，但他们探索了经典模拟方法，确信量子计算机能够与之竞争。“对于我们尝试的方法，很难可靠地获得相同的结果，我们在量子计算机上用了几小时，而在经典计算机上的时间则难以估计。”换句话说，团队对经典计算时间的估计如此之长，以至于很难确定何时能与Helios的工作相匹敌。

其他量子计算机尚未进行过费米子配对以实现超导性的模拟，团队将成功归功于Helios的硬件。Quantinuum的David Hayes表示，Helios的量子比特异常可靠，在整个量子计算行业中常见的基准测试任务中表现出色。初步测试表明，它还能支持使用纠错量子比特的实验，包括通过量子纠缠连接94个这样的特殊量子比特，这在所有量子计算机中创下了记录。未来模拟中使用此类量子比特可能会提高准确性。

加州哈维穆德学院的Eduardo Ibarra García Padilla认为，新结果很有前景，但仍需与最先进的经典计算机模拟进行仔细对比。他说，自20世纪60年代以来，Fermi-Hubbard模型一直受到物理学家的关注，因此拥有研究它的新工具令人兴奋。

加州大学欧文分校的Steve White表示，像Helios-1所使用的方法何时会成为最佳传统计算机的真正竞争对手还不得而知，因为还需要解决许多细节问题。例如，确保量子计算机模拟从正确的量子比特属性开始存在挑战。然而，White认为量子模拟可能成为经典的补充，特别是对于材料中的动态或变化行为。

“它们正在成为凝聚态物理学中有用的模拟工具，”他说，“但它们仍处于早期阶段，还有计算障碍需要克服。”

参考文献：

arXiv, DOI: 10.48550/arXiv.2511.02125

主题：量子计算

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