维度网讯，2026年5月2日，由美国普渡大学、美国橡树岭国家实验室(ORNL)与美国IBM公司研究人员组成的量子科学中心(QSC)团队，在《物理评论快报》正式发表题为《自旋输运的数字量子模拟》的论文。该研究利用IBM Heron处理器的40量子比特，成功模拟了一维海森堡链中自旋电流的演化过程，在微观层面直接观测了自旋输运的三种典型模式——弹道输运、扩散输运与超扩散输运，标志着量子计算从概念验证正式跨入凝聚态物理基础问题研究阶段。

此次研究的核心科学目标在于回答一个长期悬而未决的问题：量子计算机能否以可编程方式模拟真实材料中的自旋输运行为。自旋输运测量是凝聚态物理的基石之一，直接关系到材料如何承载能量与信息，但传统经典计算在面对大规模海森堡模型时往往力不从心。QSC团队在普渡大学Arnab Banerjee博士的领导下，以一步接一步的数字模拟方法，在IBM Heron量子处理器上构建了一维海森堡量子模型，通过调控各向异性参数，分别成功模拟了自旋激子高速推进的弹道输运区、缓慢且受散射限制的扩散输运区，以及遵循Kardar–Parisi–Zhang(KPZ)标度律、传播速度快于普通扩散的超扩散输运区。

Arnab Banerjee博士对此成果的评价没有停留在学术修辞，而是直指量子计算的应用阶段跃迁：“此项成就展现了量子计算如何超越概念验证，转向解决材料物理中真实存在的、具有实验可比性的问题。通过在IBM量子计算机上模拟自旋输运，我们正在创建一套能够补充实验室测量、并拓展对那些原本难以研究的量子材料探索能力的工具。”

方法论的突破是使此次模拟得以在当今含噪量子硬件上完成的直接推动力。传统Hadamard测试等方法在计算自旋电流自关联函数时，需要复杂的受控门操作和额外辅助量子比特，其计算复杂度以O(N²)量级增长，难以在现有设备上执行。来自伊利诺伊大学厄巴纳—香槟分校的论文共同作者Yi‑Ting Lee介绍，研究团队采用了基于线路中途测量(mid‑circuit measurements)的新型直接测量算法，将效率优化至O(N)线性水平，使得单次量子线路可深达近100层、包含近1900个双量子比特门。这一算法创新从根本上降低了模拟成本，使40量子比特级的数字量子模拟在实际硬件上首次成为可能。

在验证环节，研究团队将量子模拟结果直接与真实材料的实验数据进行了比对。他们参照了经常被研究的量子磁体KCuF₃的自旋塞贝克效应测量数据、补充数值计算结果，并计划在未来进一步引入非弹性中子散射数据进行交叉验证。量子模拟与数值计算在Drude权重及扩散系数幂律标度等定量指标上取得了高度一致，这为量子计算机充当材料科学可信模拟工具提供了坚实的证据基础。

橡树岭国家实验室QSC主任Travis Humble从协作组织角度总结了此次突破的意义：“这项工作突显了QSC在推进量子计算方面所采取的协同研究路径的力量。通过将量子计算硬件、算法开发与实验验证汇聚一堂，团队完成了一个难以由任何单一机构单独实现的目标。”

此次成果的发表正值量子计算产业从技术验证向破解科学难题过渡的关键窗口。IBM已正式提出“以量子为中心的超级计算”混合架构，将量子处理器与经典计算资源深度耦合，以加速攻克蛋白质模拟、材料发现与凝聚态物理中的复杂问题。QSC团队此次所做的，正是将自旋输运这一凝聚态物理领域的基础性问题用量子计算工具加以验证，直接回答了“量子计算机在解决真实科学问题时是否有用”这一行业难题。团队下一步将把该方法体系扩展至二维自旋系统以及超出经典超级计算机能力的复杂热输运问题，为自旋电子学器件的设计和低维量子材料的探索提供新的研发范式。

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