量子模拟：如何研究复杂的量子世界

分子的反应活性、材料的磁性和超导性质，都与微观粒子的量子行为有关。当大量粒子相互作用时，即使知道基本物理规律，也未必能够高效计算系统的整体表现。电子之间的关联、量子态的演化，以及化学键形成过程中的能量变化，都可能带来复杂的计算问题。

量子模拟为研究这些问题提供了另一种工具。研究人员利用可控的原子、离子或超导电路，实现目标模型中的关键相互作用，再通过测量研究系统的性质与演化。从材料中的磁性和相变，到分子电子结构和基础物理模型，量子模拟已形成多种实验与计算方法。

量子模拟的基本原理

量子模拟是利用一个可控制的量子系统，研究另一个量子系统的性质和演化。例如，调节光学晶格中超冷原子的运动和相互作用，可以模拟材料中电子的行为；将分子模型编码到量子比特上，则可以利用量子电路计算分子的能量。

模拟通常不要求完整复制真实材料或分子，而是选取与研究问题有关的模型，实现其中关键的相互作用，再测量能量、磁性、关联或动力学等物理量。它既可以在通用量子计算机上进行，也可以依托专门设计的原子、离子和超导电路平台实现。

经典计算已有密度泛函理论、张量网络和量子蒙特卡洛等成熟方法。但在强关联、纠缠快速增长的非平衡演化，以及某些存在符号问题的模型中，计算仍可能十分困难。

三类常见实现方式

（1）模拟式量子模拟

模拟式量子模拟通过调节可控量子系统的相互作用，使其近似实现目标模型。初态制备完成后，系统按照自身动力学演化，研究人员再测量能量、关联等物理量。

例如，在激光形成的光学晶格中，超冷原子能够在相邻格点之间隧穿，也会彼此发生相互作用。这些行为与材料中电子的某些运动规律相对应。研究人员可以调节晶格深度和原子间相互作用，研究Hubbard模型中的磁性、关联和相变。里德伯原子阵列、离子阱和超导电路，也能用于实现不同形式的自旋模型。

这种方法不必将全部演化分解为量子门，适合研究与硬件相互作用相匹配的问题。不过，可实现的模型受平台结构限制，耦合偏差和环境噪声也会影响结果。

图1 超冷原子光学晶格及实验装置示意

（2）数字式量子模拟

数字式方法先将目标模型编码到量子比特上，再用量子门序列完成状态制备和演化。例如，模拟分子时，可以将电子轨道的占据情况映射为量子比特状态，根据分子哈密顿量设计计算过程。同一台设备能够更换电路，研究不同模型。

如何把连续演化转化为离散操作，是其中的重要步骤。代表性方法Trotter分解将演化划分为许多短时间步，每一步依次执行不同相互作用对应的操作，逐步近似整体演化。时间步更细通常能减小分解误差，却需要更多量子门，增加噪声累积。

经典计算也可参与其中。变分量子本征求解器（VQE）由量子设备制备参数化状态并测量能量，经典优化器反复更新参数，寻找低能态。2014年的光量子实验曾用这一流程计算HeH+的基态能量。VQE可采用较浅的参数化电路，但仍需承担重复测量和参数优化成本。

图2 VQE的经典—量子混合计算流程

（3）数字—模拟混合方法

两类操作还可以在同一次实验中配合。数字门先将量子比特准备到所需状态，随后开启硬件中的相互作用，让系统连续演化，最后调整测量方式，提取相关物理量。2025年，一项发表于《Nature》的研究利用69个超导量子比特，采用这一方式研究二维XY模型的热化和临界行为。

数字控制使研究人员能够准备不同能量和纠缠结构的初态，模拟演化则用于观察后续的能量输运及关联变化。两者结合扩大了实验可研究的状态范围，也可减少将某些连续演化完全拆成量子门的开销。模拟部分的耦合和控制精度，以及两类操作之间的衔接，仍需准确校准。

图3 数字-模拟混合实验与校准方案

代表性研究进展

在材料磁性研究中，研究人员可以用超冷原子模拟相互作用电子的行为。2024年，中国科学技术大学团队利用超冷锂-6原子，在均匀光学晶格中实现三维费米Hubbard模型，并观察到反铁磁相变。团队调节相互作用、温度和掺杂，测量自旋结构因子的变化，为研究这一模型的低温磁性提供了实验依据。

在分子电子结构研究中，量子模拟可用于估计基态能量。2025年，IBM、理化学研究所等团队将Heron超导处理器与富岳超级计算机结合，采用基于采样的量子对角化方法（SQD），研究氮分子解离和铁硫簇的电子结构，其中[4Fe-4S]铁硫簇计算使用77个量子比特。量子处理器提供电子组态样本，经典超算经过样本处理，在选定子空间中对哈密顿量进行对角化，估计基态能量。这项工作展示了量子采样与经典计算共同处理电子结构问题的一种方式。

在基础物理研究中，量子模拟可以将部分规范场模型映射到可控的原子系统。2025年，因斯布鲁克大学、哈佛大学和QuEra等团队利用Kagome几何结构中的里德伯原子，实现有效的（2+1）维晶格规范模型（即二维空间加一维时间），观察到弦断裂及其动力学。其中，弦指模型中连接有效电荷的场结构。这一实验使研究人员能够在原子系统中研究禁闭与弦断裂过程。

现阶段的主要挑战

量子模拟首先面临的是准确性问题。实验中的相互作用强度可能偏离设定值，量子门操作也可能出错，量子态还会受到环境干扰。这些误差会使设备的实际演化偏离目标模型。例如，采用Trotter分解时，把演化切分得更细可以减小近似误差，却需要更多量子门，也会增加操作出错的机会。

另一个问题是完整计算的成本。系统运行前需要准备初始量子态，运行后还要重复测量，才能得到较准确的能量或关联信息，部分结果还需要经典计算处理。因此，某一段量子演化完成得快，并不代表整个任务比经典方法更省时。

结果验证同样困难。对于规模较小的问题，可以用经典计算检查实验结果，但量子模拟希望研究的，恰恰包括经典计算难以处理的问题。缺少可直接对照的答案时，研究人员需要检查结果是否满足已知物理规律，并比较不同实验平台或不同计算方法得到的结果。这些检验能够增加可信度，但不能仅凭实验规模更大，就认定结果准确或已经获得计算优势。

量子模拟已在相变、分子电子结构和规范场动力学等研究中取得进展。进一步扩大应用范围，仍需要同时解决模拟精度、完整计算成本和结果验证的问题。

[1]https://arxiv.org/abs/1308.6253

[2]https://www.nature.com/articles/s41467-024-46402-9

[3]https://www.nature.com/articles/ncomms5213

[4]https://www.nature.com/articles/s41586-024-08460-3

[5]https://www.nature.com/articles/s41586-024-07689-2

[6]https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adu9991

[6]https://www.nature.com/articles/s41586-025-09051-6

[7]https://thequantuminsider.com/2026/09/18/what-is-quantum-simulation-how-does-it-work/

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