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量子計(jì)算重構(gòu)材料科學(xué)：從原子到宏觀的算力革命
發(fā)布時(shí)間：2025-06-30
一、材料科學(xué)的算力困局
材料科學(xué)的核心挑戰(zhàn)在于理解原子級(jí)相互作用與宏觀性能之間的關(guān)聯(lián)。傳統(tǒng)計(jì)算方法如密度泛函理論（DFT）在處理復(fù)雜體系時(shí)面臨指數(shù)級(jí)算力需求，例如二維過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDCs）的能帶結(jié)構(gòu)計(jì)算需要超算集群運(yùn)行數(shù)月。這種困境在高溫超導(dǎo)材料、拓?fù)浣^緣體等前沿領(lǐng)域尤為突出 —— 經(jīng)典計(jì)算機(jī)無(wú)法有效模擬強(qiáng)關(guān)聯(lián)電子系統(tǒng)，導(dǎo)致新型材料研發(fā)周期長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年。
量子計(jì)算通過(guò)量子疊加和糾纏特性，為材料模擬提供了全新路徑。例如，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)團(tuán)隊(duì)構(gòu)建的超冷原子量子模擬器 “天元”，成功驗(yàn)證了費(fèi)米子哈伯德模型中的反鐵磁相變，計(jì)算效率比經(jīng)典超算提升百萬(wàn)倍。這種突破不僅驗(yàn)證了理論模型，更為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究開(kāi)辟了新方向。
二、量子模擬的技術(shù)突破
多體問(wèn)題的量子解法
材料中的電子 - 電子、電子 - 聲子相互作用構(gòu)成典型的多體系統(tǒng)。量子計(jì)算通過(guò)變分量子本征求解器（VQE）算法，將分子哈密頓量映射到量子電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)分子基態(tài)能量的精確計(jì)算。例如，IBM 團(tuán)隊(duì)利用 VQE 算法模擬鋰 - 空氣電池的化學(xué)反應(yīng)路徑，發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)方法難以預(yù)測(cè)的中間態(tài)。
拓?fù)洳牧系木珳?zhǔn)設(shè)計(jì)
拓?fù)淞孔硬牧系碾娮咏Y(jié)構(gòu)具有抗干擾特性，是量子計(jì)算器件的理想候選。煙臺(tái)大學(xué)孫伯業(yè)團(tuán)隊(duì)通過(guò)周期性驅(qū)動(dòng)量子模擬器，成功實(shí)現(xiàn)手征自旋液體的量子模擬，為拓?fù)淞孔颖忍氐脑O(shè)計(jì)提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。這種方法可擴(kuò)展至三維拓?fù)浣^緣體，加速拓?fù)淞孔佑?jì)算材料的開(kāi)發(fā)。
動(dòng)態(tài)過(guò)程的實(shí)時(shí)觀測(cè)
材料的相變、缺陷演化等動(dòng)態(tài)過(guò)程對(duì)性能至關(guān)重要。清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的飛秒激光加工技術(shù)，在六方氮化硼（hBN）中實(shí)現(xiàn)單光子源的可控制備，二階關(guān)聯(lián)函數(shù) g2(0) 低至 0.06，為量子材料的動(dòng)態(tài)表征提供了新工具。
三、國(guó)內(nèi)研究的戰(zhàn)略布局
硬件自主化突破
中國(guó)在超導(dǎo)量子芯片領(lǐng)域取得顯著進(jìn)展：本源量子的 “悟空芯” 實(shí)現(xiàn) 72 位量子比特的穩(wěn)定操控，“祖沖之三號(hào)” 超導(dǎo)量子計(jì)算機(jī)達(dá)到 105 個(gè)量子比特，性能與國(guó)際先進(jìn)水平持平。這些硬件突破為材料模擬提供了算力基礎(chǔ)。
算法與應(yīng)用結(jié)合
合肥量子計(jì)算與數(shù)據(jù)醫(yī)學(xué)研究院將量子算法應(yīng)用于蛋白質(zhì)折疊預(yù)測(cè)，利用 “九章三號(hào)” 的 255 個(gè)光子量子比特，將計(jì)算速度提升至經(jīng)典超算的 200 億倍。這種技術(shù)遷移為新材料研發(fā)提供了跨學(xué)科解決方案。
政策與生態(tài)協(xié)同
“十四五” 規(guī)劃明確將量子計(jì)算列為重點(diǎn)支持方向，提出構(gòu)建天地一體量子通信網(wǎng)絡(luò)、突破數(shù)百量子比特相干操縱等目標(biāo)。安徽、北京等地已形成量子計(jì)算產(chǎn)業(yè)集群，推動(dòng)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向應(yīng)用場(chǎng)景。
四、未來(lái)十年的技術(shù)圖景
材料基因組計(jì)劃升級(jí)
結(jié)合量子計(jì)算與機(jī)器學(xué)習(xí)，構(gòu)建覆蓋材料設(shè)計(jì)、合成、表征的全鏈條平臺(tái)。例如，MIT 團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的量子 - 經(jīng)典混合算法，可在數(shù)小時(shí)內(nèi)篩選百萬(wàn)種催化劑候選材料，效率比傳統(tǒng)方法提升千倍。
極端條件材料模擬
量子計(jì)算將突破高壓、高溫等極端環(huán)境的模擬限制。上海科技大學(xué)利用納米角分辨光電子能譜（Nano-ARPES），首次觀測(cè)到魔角石墨烯中的谷間 - 電聲子耦合效應(yīng)，為高溫超導(dǎo)機(jī)理研究提供了關(guān)鍵證據(jù)。
綠色制造與循環(huán)經(jīng)濟(jì)
量子計(jì)算可優(yōu)化材料回收工藝，例如通過(guò)模擬鋰離子電池的電極 - 電解液界面反應(yīng)，設(shè)計(jì)高穩(wěn)定性的固態(tài)電解質(zhì)，延長(zhǎng)電池壽命并降低回收難度。
五、挑戰(zhàn)與應(yīng)對(duì)策略
硬件可靠性提升
當(dāng)前量子比特的相干時(shí)間仍有限（超導(dǎo)量子比特約 100 微秒），需通過(guò)量子糾錯(cuò)技術(shù)突破容錯(cuò)閾值。中電信量子集團(tuán)的 “天衍 504” 量子計(jì)算機(jī)已實(shí)現(xiàn) 504 比特的穩(wěn)定操控，為大規(guī)模糾錯(cuò)奠定基礎(chǔ)。
算法與數(shù)據(jù)協(xié)同
開(kāi)發(fā)適用于材料科學(xué)的專(zhuān)用量子算法，例如基于強(qiáng)化學(xué)習(xí)的材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法。同時(shí)，建立跨機(jī)構(gòu)材料數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與算力協(xié)同。
人才培養(yǎng)與國(guó)際合作
加強(qiáng)量子計(jì)算與材料科學(xué)的交叉學(xué)科教育，培養(yǎng)復(fù)合型人才。中國(guó)科大、清華大學(xué)等高校已開(kāi)設(shè)量子材料設(shè)計(jì)課程，并與 IBM、谷歌等企業(yè)合作推動(dòng)技術(shù)轉(zhuǎn)化。
結(jié)語(yǔ)
量子計(jì)算正在重塑材料科學(xué)的研究范式 —— 從基于經(jīng)驗(yàn)的試錯(cuò)模式轉(zhuǎn)向精準(zhǔn)的理論預(yù)測(cè)。中國(guó)在硬件研發(fā)、算法創(chuàng)新和應(yīng)用場(chǎng)景拓展上的系統(tǒng)性布局，為實(shí)現(xiàn) “科技自立自強(qiáng)” 提供了戰(zhàn)略支撐。未來(lái)十年，隨著量子糾錯(cuò)技術(shù)的成熟和算力網(wǎng)絡(luò)的完善，材料科學(xué)將迎來(lái)從原子級(jí)模擬到宏觀器件的全鏈條革新，為新能源、半導(dǎo)體、生物醫(yī)藥等領(lǐng)域帶來(lái)顛覆性突破。
