趙嫺 | 特約編輯 (臺灣大學化學系碩士生)
近年來，量子電腦被視為有望預測化學反應並加速新材料開發的關鍵技術。然而，高錯誤率與系統不穩定性仍是限制量子電腦邁向實用化的因素。近期，兩項發表於 arXiv 並獲《Nature》報導的研究展現了突破性的進展：物理學家首次將量子電腦的模擬數據，與實驗室收集到的真實材料數據實現了定量比對。這意味著量子計算正從「理論展示」轉向「科學驗證」，邁向處理傳統超級電腦難以模擬問題。
研究由兩個獨立團隊完成。一組是法國量子電腦新創公司 Pasqal，另一組則是來自 Purdue University 的 Arnab Banerjee 團隊。兩者分別採用了不同的量子計算架構，並針對不同材料進行模擬，從不同路徑檢驗量子模擬的可行性。
Pasqal 團隊使用的是「類比量子模擬」（analog quantum simulation），透過中性原子量子電腦（neutral atom quantum computer）來模擬具有複雜磁性行為的材料 TmMgGaO₄。在此系統中，原子透過雷射形成的光學鑷子排列，直接模擬材料中的量子交互作用。他們成功計算出該材料的熱容，以及其對外加磁場的反應。
另一方面，Banerjee 團隊採用「數位量子模擬」（digital quantum simulation），利用 IBM 的超導量子電腦研究材料KCuF₃ 的激發態光譜。在這項研究中，藉由先進的誤差緩解技術，他們觀察到的「電子分數化」（fractionalization）現象與實驗結果展現了高度相似性。這是強關聯量子系統中的重要特徵，代表電子在材料中不再表現為單一粒子，而是以集體激發的形式存在。
類比與數位量子模擬在材料系統中的應用與實驗驗證示意圖。
圖中內容根據資料來源1-3整理繪製。
這兩項研究的關鍵在於，將量子電腦的模擬結果與「中子散射實驗」進行直接比較。中子散射是一種能夠探測材料內部微觀結構與量子性質的重要實驗技術，透過分析中子與材料作用後的散射角度與能量變化，可以獲得系統的動態資訊。
結果顯示，兩個團隊的量子模擬與中子散射實驗數據之間呈現出高度一致性。正如研究領導者 Arnab Banerjee 所指出，我們需要這些「已知」的基準材料來驗證量子電腦的可靠性，才能進一步用於預測尚未被製造的新材料。相較於過去多停留在模型系統或定性比較的研究，這樣的定量比對為量子計算建立了一種關鍵的實驗驗證基準。
這些成果顯示量子電腦正逐漸從「概念驗證」邁向「可用於科學研究」的階段。儘管目前仍處於尚未完全容錯的發展階段，但這些研究已經證明，在有限資源與存在雜訊的條件下，量子模擬仍有機會產生具有物理意義且可被實驗檢驗的結果。隨著量子硬體持續進步與錯誤率降低，這類以實驗為基準的驗證方法，將成為量子模擬邁向實用化的關鍵。
資料來源
- Castelvecchi, D. Quantum simulations verified by experiments for the first time. Nature (2026). https://www.nature.com/articles/d41586-026-00959-1
- Leclerc, L. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arxiv.2603.20372 (2026).
- Lee, Y.-T. et al. Preprint at arXiv https://doi.org/10.48550/arxiv.2603.15608 (2026).
