Helios-1量子计算芯片
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量子计算公司 Quantinuum 的研究人员使用新型 Helios-1 量子计算机来模拟长期以来用于研究超导性的数学模型。这些模拟对于传统计算机来说并非遥不可及，但这一进步为量子计算机成为材料科学的有用工具奠定了基础。
超导体 以完美的效率导电，但它们目前只能在太低的温度下工作而无法实用。几十年来，物理学家一直试图了解如何调整其结构，使其在室温下工作，许多人相信答案将来自一个称为费米-哈伯德模型的数学框架。 Quantinuum 的 Henrik Dreyer 表示，这种潜力使其成为所有凝聚态物理中最重要的模型之一。
传统计算机可以对费米-哈伯德模型进行出色的模拟，但难以处理非常大的样本或它所描述的材料随时间变化的情况。量子计算机最终有机会做得更好。现在，德雷尔和他的同事已经在量子计算机上运行了迄今为止最大规模的费米-哈伯德模型模拟。
他们使用了 Helios-1，它有 98 个由钡离子制成的量子位，每个量子位都由激光和电磁场控制。为了进行模拟，研究人员通过一系列量子态来操纵量子位，然后通过测量其属性来读取输出。他们的模拟包括 36 个称为费米子的粒子，这些粒子正是真实超导体中存在的粒子类型，并由费米-哈伯德模型进行数学描述。
为了使超导体发挥作用，费米子必须配对，实验发现有时可以通过用激光撞击材料来启动这种配对。 Quantinuum 的团队模拟了这种情况——他们用激光脉冲击中量子位，然后测量产生的状态，找到模拟粒子配对的迹象。该模拟并没有完全复制实验，但它捕获了一个动态过程，当应用于多个粒子时，这对于传统计算机方法来说是困难的。
德雷尔表示，新实验并不能严格证明 Helios-1 比所有可能的传统计算方法都具有优势，但探索经典模拟方法使他的团队相信量子计算机可以竞争。 “对于我们尝试的方法，不可能可靠地获得相同的结果，我们在量子计算机上观察了几个小时，并对事物的经典方面打了一个大问号，”他说。换句话说，该团队对经典计算时间的估计要长得多，很难判断何时可以与 Helios 的工作相媲美。
被捕获的离子充当 Helios-1 芯片中的量子位
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其他量子计算机尚未解决费米子配对模拟以实现超导的问题，该团队将其成功归功于 Helios 的硬件。大卫·海耶斯同样来自 Quantinuum 的他表示，Helios 的量子位非常可靠，并且擅长执行整个量子计算行业常见的基准测试任务。在初步测试中，它还可以支持防错量子位的实验， 其中包括通过量子纠缠连接 94 个特殊量子位，这是所有量子计算机的记录。在未来的模拟中使用此类量子位可以使它们更加准确。
爱德华多·伊瓦拉·加西亚·帕迪利亚 加利福尼亚州哈维穆德学院的研究人员表示，新的结果很有希望，但仍需要与最先进的经典计算机模拟进行仔细的基准比较。他说，自 20 世纪 60 年代以来，费米-哈伯德模型一直引起物理学家的极大兴趣，因此拥有一种研究该模型的新工具令人兴奋。
史蒂夫·怀特 (Steve White) 表示，Helios-1 所使用的方法何时能够成为最好的传统计算机的真正竞争对手，谁也说不准，因为还有更多的细节需要解决。 在加州大学欧文分校。例如，他表示，确保量子计算机模拟从正确的量子位属性集开始存在挑战。然而，怀特表示，量子模拟可能会成为经典模拟的补充，特别是对于材料的动态或变化行为。
“它们正在成为凝聚态物质中有用的模拟工具 [physics]，”他说。“但他们仍处于早期阶段，仍然存在计算障碍。”
参考： arXiv，DOI：10.48550/arXiv.2511.02125
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