探索宇宙奧秘 · 理性思考

（空行）

量子計(jì)算機(jī)正在從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嵱?，但噪聲和錯(cuò)誤率仍是攔路虎?，F(xiàn)有的"含噪聲中等規(guī)模量子"（NISQ）設(shè)備只能維持極短的相干時(shí)間，每一次量子門(mén)操作都在跟退賽跑。德國(guó)康斯坦茨大學(xué)的一項(xiàng)最新研究給出了突圍思路：他們利用晶體結(jié)構(gòu)固有的對(duì)稱(chēng)性，將量子模擬前的"準(zhǔn)備工作"壓縮了千倍甚至更多。這項(xiàng)成果發(fā)表于2026年2月的《物理評(píng)論快報(bào)》，為材料設(shè)計(jì)和藥物研發(fā)等領(lǐng)域的實(shí)用化量子模擬掃清了一大障礙。

量子模擬被費(fèi)曼視為量子計(jì)算的首個(gè)"殺手級(jí)應(yīng)用"。它的核心思想是用可控的量子比特（如超導(dǎo)電路或囚禁離子）去模擬另一個(gè)難以計(jì)算的量子系統(tǒng)（如高溫超導(dǎo)體或復(fù)雜分子）。

但在實(shí)際運(yùn)算前，研究者必須解決一個(gè)棘手的映射問(wèn)題。被模擬的系統(tǒng)通常具有周期性晶格結(jié)構(gòu)（如蜂窩狀的石墨烯或立方鹽晶），而量子計(jì)算機(jī)的物理架構(gòu)是固定的。這就像要把一幅復(fù)雜馬賽克圖案拓印到另一張紙上，卻必須逐個(gè)確定每塊瓷磚的位置。

傳統(tǒng)算法需要逐點(diǎn)計(jì)算每個(gè)格點(diǎn)的對(duì)應(yīng)關(guān)系。隨著系統(tǒng)規(guī)模擴(kuò)大，這種預(yù)處理的計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)。諷刺的是，在為量子計(jì)算機(jī)"安排工作"時(shí)，經(jīng)典計(jì)算機(jī)往往已經(jīng)累得氣喘吁吁。這種"開(kāi)局即瓶頸"的困境，嚴(yán)重限制了量子模擬的實(shí)際效率。

康斯坦茨大學(xué)的物理學(xué)家吉多·伯卡特（Guido Burkard）和約里斯·卡特穆勒（Joris Kattem?lle）找到了一條捷徑。他們注意到，晶體材料具有平移不變性——無(wú)論你看向哪個(gè)晶胞，局部結(jié)構(gòu)都一模一樣。

研究團(tuán)隊(duì)放棄了"逐磚搬運(yùn)"的笨辦法，轉(zhuǎn)而識(shí)別出晶格中的重復(fù)單元。這就像復(fù)制馬賽克時(shí)，你不必描摹每一塊石頭，只需復(fù)制一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)單元，然后利用對(duì)稱(chēng)性進(jìn)行平移填充。通過(guò)數(shù)學(xué)證明，他們確認(rèn)這種方法適用于所有周期性結(jié)構(gòu)，無(wú)論是二維平面還是三維立體。

這種方法被命名為"QuanTile"。基準(zhǔn)測(cè)試顯示，相比IBM的Qiskit編譯器，QuanTile將映射效率提升了數(shù)個(gè)數(shù)量級(jí)。更重要的是，團(tuán)隊(duì)已將該算法開(kāi)源，任何研究者都可以免費(fèi)使用。這意味著未來(lái)的量子模擬可以跳過(guò)冗長(zhǎng)的"熱身"，直接進(jìn)入核心計(jì)算。

在這場(chǎng)全球量子競(jìng)賽中，中國(guó)并非旁觀者。我國(guó)在量子模擬的硬件實(shí)現(xiàn)和算法優(yōu)化上均處于第一梯隊(duì)。

中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)潘建偉團(tuán)隊(duì)的光量子計(jì)算機(jī)"九章"系列，在特定問(wèn)題的求解速度上持續(xù)保持優(yōu)勢(shì)。2023年，他們實(shí)現(xiàn)了255個(gè)光子的量子計(jì)算原型機(jī)，在圖論問(wèn)題和量子化學(xué)模擬中展現(xiàn)出潛力。在超導(dǎo)路線，"祖沖之號(hào)"處理器實(shí)現(xiàn)了"量子隨機(jī)線路采樣"任務(wù)的量子優(yōu)越性。

不過(guò)，在將晶格對(duì)稱(chēng)性系統(tǒng)性應(yīng)用于量子線路映射這一細(xì)分方向，歐洲團(tuán)隊(duì)此次走在了前面。中國(guó)亟需加強(qiáng)量子軟件棧的建設(shè)，特別是在開(kāi)源量子編譯工具方面補(bǔ)足短板。

這項(xiàng)突破恰逢其時(shí)。當(dāng)前量子計(jì)算正處于"含噪聲中等規(guī)模"（NISQ）時(shí)代向容錯(cuò)量子計(jì)算過(guò)渡的關(guān)鍵期。在硬件錯(cuò)誤率尚未根本改善的當(dāng)下，通過(guò)算法層面的"瘦身"來(lái)延長(zhǎng)有效計(jì)算時(shí)間，是務(wù)實(shí)的中間路線。

歷史上，量子模擬的每一步簡(jiǎn)化都推動(dòng)了實(shí)用化進(jìn)程。2017年，IBM首次用超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)模擬氫分子；2019年，谷歌用53量子比特處理器模擬化學(xué)反應(yīng)。如今，千倍級(jí)的效率提升意味著我們可以用更少的量子比特模擬更大的材料體系，或在現(xiàn)有設(shè)備上運(yùn)行更復(fù)雜的藥物分子相互作用模型。

但這只是開(kāi)始。真正的挑戰(zhàn)在于，真實(shí)材料往往存在缺陷和邊界效應(yīng)，并不具備完美的平移對(duì)稱(chēng)性。如何將該方法推廣到準(zhǔn)晶、非晶材料或具有復(fù)雜相互作用的生物大分子，仍是未解之謎。此外，量子糾錯(cuò)機(jī)制的成熟，才是徹底解放量子算力的終極鑰匙。

當(dāng)算法優(yōu)化與硬件進(jìn)步形成共振，我們離"量子實(shí)用化"（Quantum Utility）的臨界點(diǎn)，或許又近了一大步。

Kattem?lle, J., & Burkard, G. (2026). Efficient Quantum Simulation for Translationally Invariant Systems. Physical Review Letters. DOI: 10.1103/cswp-xy7k