核量子计算与量子模拟
如果你想模拟一个原子核，把几十个质子和中子的量子行为算清楚，经典计算机在某个尺寸之后就吃不消了。不是算得慢，是算不动——状态空间随粒子数指数膨胀，一个中等质量核的完整波函数，内存放不下。这条路走到头了，但是核物理里最要紧的问题恰恰躲在经典计算够不到的地方：QCD相图的高密度区域、大质量核的精细结构、超新星里的中微子振荡。量子计算机天然处理量子态，所以人们开始问：能不能让量子机器去算经典机器算不动的东西？
2024年4月，华盛顿大学的Farrell、Illa和Savage在IBM量子计算机上用100个量子比特模拟了一维量子电动力学——Schwinger模型的真空态，结果发表在PRX Quantum上。同年，他们又用112个量子比特模拟了强子脉冲在Schwinger模型中的时间演化，发表在Physical Review D上。这是核物理领域迄今完成的规模最大的数字量子模拟。关键突破不在量子比特数量，而在可扩展性：他们先在小系统上用经典计算验证电路设计的正确性，发现物理系统中的对称性和长度尺度差异可以帮助设计出结构规律的电路，然后直接把同样的结构放大到100多个量子比特，不需要重新设计。用这种方法提取的真空性质达到了百分之几的精度。这不是玩具模型的成功——它证明了一条路：如果你理解了物理系统的结构，你就能造出可扩展的量子电路。
但是Schwinger模型毕竟只是一维的量子电动力学，离真实的QCD还远。2025年11月，Nature Communications上发表了一项更接近QCD的工作：马里兰大学和滑铁卢大学的团队在离子阱量子计算机上首次模拟了QCD的相图。他们研究了SU(2)和SU(3)规范理论在有限密度和有限温度下的行为，观测到了手征对称性破缺相到恢复相的相变——这正是三维QCD中夸克-胶子等离子体相变的一维类比。这项工作解决两个技术难题的方法很巧妙。第一个是热态制备：量子计算做的是幺正演化，天然产生纯态，但热态是混合态。他们利用离子阱中通常闲置的振动模式作为辅助自由度——所谓的"运动辅助量子比特"——在不需要额外量子比特的条件下制备出热态。第二个是色中性的约束：物理态必须满足色荷为零，相当于自然界不允许出现孤立的夸克。他们不在制备阶段强制这个约束，而是在测量阶段通过群论投影算符实现，这大幅减少了电路复杂度。两项技术都不限于当前系统，可以推广到更高维度和更复杂的规范理论。
核壳模型是低能核结构的核心工具，把价核子在有效势中的组态对角化。问题是，组态空间随价核子数和轨道数指数增长，经典的壳模型对角化在sd壳层还能勉强做，到了pf壳或更重核就难以为继。量子计算机能不能替代经典对角化？2025年4月，一个团队把ADAPT-VQE和VQD算法结合起来，首次在量子计算框架下系统计算了核壳模型哈密顿量的激发态——不光是基态。ADAPT-VQE逐步往试探态里添加算符来逼近基态，VQD则在此基础上逐个找到激发态，两者拼接后就能得到低能谱。2025年9月，这项成果发表在Physical Review C上。更大的进展出现在2026年2月：萨里大学的研究者提出了一种全新的量子比特映射策略——每个Slater行列式对应一个量子比特，大幅降低了电路深度。传统方法把核子轨道映射到量子比特，需要处理复杂的费米子反对称性，电路深度随系统尺度急剧增长；新方法绕开了反对称化的步骤，使得壳模型计算在近期能噪量子设备上变得可行。
中国在核量子计算方面的进展同样值得关注。2025年11月，中国工程物理研究院研究生院吕炳楠团队在Physical Review Letters上发表了无符号问题的原子核量子蒙特卡洛模拟。量子蒙特卡洛方法原则上可以用多项式时间的计算解决费米子多体问题，但费米子波函数的振荡性导致所谓的"符号问题"，使得统计误差随系统指数增长。吕炳楠团队构造了一种新型格点核力，对偶偶核严格满足无符号问题条件，同时首次在格点上实现了无符号问题的自旋-轨道耦合。他们用这个方法计算了从氦到锡的76个偶偶核的结合能，与实验值的标准差仅约1 MeV——这是首次有无符号问题的量子蒙特卡洛方法达到可以和唯象平均场模型媲美的精度。2026年4月，RIKEN宣布采购Quantinuum的H2量子计算机，扩展现有的Reimei离子阱系统，目标是将量子计算与超级计算机"富岳"融合。今年2月，RIKEN-Quantinuum合作已经在Reimei系统上完成了强关联核多体系统的量子模拟，首次在离子阱量子计算机上模拟了原子核基态。硬件层面，中科酷原在武汉发布了"核原2号"中性原子量子计算机，拥有200个量子比特，比2024年的核原1号翻倍，核原3号计划于2026年8月发布1000量子比特版本。
量子信息视角也在改变人们理解原子核本身的方式。2025年，北京大学裴俊琛课题组揭示了核裂变中的量子纠缠。核裂变的断裂阶段极短，约10⁻²²秒，两块碎片飞离太快，波函数来不及局域化，形成了一种动力学纠缠。纠缠的程度与裂变碎片中子发射数的锯齿结构直接相关——纠缠越强，锯齿斜率越大。高激发下统计涨落主导能量分配，锯齿消失，这反过来验证了纠缠解释。核裂变因此提供了一个强相互作用体系中天然多体纠缠的独特窗口。2025年3月，另一项工作把"量子魔力"（quantum magic，即非稳定态程度）的概念引入核结构：sd壳层的核展现出显著的多核子纠缠，主要由质子-中子组态驱动，同时具有显著的量子魔力指标。这意味着核波函数无法用经典的稳定态电路高效模拟——量子计算的必要性不仅仅是工程上的便利，而是物理本质所要求的。
超新星中的中微子振荡是另一个量子模拟正在逼近的难题。在致密介质中，中微子之间的自相互作用主导了味演化，形成多中微子纠缠的复杂动力学。经典计算只能用平均场近似处理，而平均场在纠缠强烈时失效。2025年8月，一个团队在Qiskit噪声量子模拟器上研究了集体中微子振荡；2026年4月，多伦多大学团队发展了新的量子模拟方法来处理极端天体物理环境中的中微子行为。此前威斯康星大学已经尝试了混合量子-经典方案，用量子模拟处理纠缠强烈的核心区域，用经典计算处理外围。这是量子模拟天然的优势领域——你需要模拟的恰好是量子纠缠本身。
从技术路线看，数字量子模拟和模拟量子模拟正在走向融合。数字模拟用门操作构建电路，灵活但受噪声和电路深度限制；模拟模拟直接让一个可控量子系统的哈密顿量模拟目标系统，不那么灵活但对某些问题效率更高。DOE支持的华盛顿大学团队2024年发展了一套系统分析模拟量子模拟中算法近似误差的框架，发表于Physical Review A，专门针对里德堡原子量子计算平台。这套方法的核心发现是：算法近似的影响可以通过调节模拟参数来最小化，而且对动力学过程的模拟不确定度可以量化。这把模拟量子模拟从一个"看起来像"的黑箱变成了一种可以信任的科学工具。2025年，EPJ A出版了"低能核理论中的量子计算"专题合集，由Ayral、Duguet、Lacroix和Somà编辑，覆盖了量子算法开发、硬件平台、核物理量子模拟和量子信息四个主题。编辑在导言中指出，量子计算应用于核物理仍处于早期阶段，但随着硬件改进和算法成熟，实现真正科学影响的窗口正在打开。
底线是什么？核量子计算还没有达到对经典方法形成碾压优势的程度——目前的模拟规模仍然小，噪声仍然严重，可处理的问题仍然是简化模型。但是几条线同时推进：Schwinger模型的可扩展电路设计证明了方法论上的可行性，QCD相图的离子阱实验把规范理论推到了有限密度，壳模型ADAPT-VQE开始处理真实核哈密顿量，无符号问题量子蒙特卡洛让经典方法的精度上了一个台阶，量子信息概念（纠缠、魔力）揭示了对核结构本身的新理解。硬件方面，离子阱的全连接性适合规范理论，超导量子比特的规模适合格点问题，中性原子平台的灵活性适合模拟模拟，每种平台都在核物理中找到了自己的切入点。从2016年4个量子比特模拟Schwinger模型，到2024年100个量子比特，用了8年。从100到1000，也许不需要8年。
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核量子计算路线图
| 时间 | 里程碑 | 量子比特 | 平台 |
|---|---|---|---|
| 2016 | Schwinger模型 | 4 | 离子阱 (Innsbruck) |
| 2018 | 氘核基态 | 2 | IBM超导 |
| 2023 | 20中微子模拟 | 20 | 离子阱 |
| 2024 | Schwinger真空 | 100 | IBM超导 (PRX Quantum) |
| 2024 | 强子动力学 | 112 | IBM超导 (PRD) |
| 2024 | 模拟量子模拟误差框架 | — | 里德堡原子 (PRA) |
| 2025 | QCD相图 SU(2)+SU(3) | 4+6 | 离子阱 (Nature Communications) |
| 2025 | 壳模型ADAPT-VQE激发态 | — | PRC |
| 2025 | 无符号问题核QMC (76核) | — | PRL |
| 2025 | 核裂变量子纠缠 | — | PLB (北大) |
| 2025 | 量子魔力与核结构 | — | PRC |
| 2025 | RIKEN核多体模拟 | — | Reimei离子阱 |
| 2025 | 集体中微子振荡 | — | Qiskit模拟器 |
| 2026 | 低电路深度壳模型VQE | — | Surrey |
| 2026 | RIKEN采购H2扩容 | — | 混合量子-超算 |
| 2026 | 核原2号 | 200 | 中性原子 (武汉) |
数字量子模拟 vs. 模拟量子模拟
| 数字 | 模拟 | |
|---|---|---|
| 原理 | 门操作构建电路 | 哈密顿量直接映射 |
| 灵活性 | 高（可编程） | 低（定制化） |
| 噪声敏感 | 高（电路深度受限） | 低（天然容错） |
| 代表平台 | IBM超导 / 离子阱 | 里德堡原子 / 冷原子 |
| 核物理应用 | 壳模型VQE / 规范理论 | 核多体动力学 |
| 关键挑战 | 电路深度 / 量子纠错 | 算法近似不确定度 |
趋势：两条路线正在融合，中性原子平台同时支持两种模式。
量子硬件平台在核物理中的适配
| 平台 | 规模 | 连接性 | 适合的核物理问题 |
|---|---|---|---|
| 超导量子比特 | 数百-千 | 局部 | 格点规范理论 / 壳模型 |
| 离子阱 | 数十-百 | 全连接 | 规范理论 / 核多体 |
| 中性原子 | 数百-千 | 可调 | 模拟模拟 / Hubbard模型 |
| 光子 | 数十 | 线性 | 量子采样 / 通信 |
| 硅自旋 | 数十 | 近邻 | 未来规模化路径 |
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参考文献
- Farrell, R.C., Illa, M., Ciavarella, A.N., Savage, M.J. "Scalable Circuits for Preparing Ground States on Digital Quantum Computers: The Schwinger Model Vacuum on 100 Qubits." *PRX Quantum* 5, 020315 (2024). DOI: 10.1103/PRXQuantum.5.020315
- Farrell, R.C., Illa, M., Ciavarella, A.N., Savage, M.J. "Quantum Simulations of Hadron Dynamics in the Schwinger Model Using 112 Qubits." *Physical Review D* 109, 114510 (2024). DOI: 10.1103/physrevd.109.114510
- Than, A.T. et al. "The phase diagram of quantum chromodynamics in one dimension on a quantum computer." *Nature Communications* 16, 10288 (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-65198-w
- Lu, B.N. (吕炳楠) et al. "Sign-Problem-Free Nuclear Quantum Monte Carlo." *Physical Review Letters* (2025). DOI: 10.1103/pn99-6dxt
- Qiang, Y. (强雨), Pei, J. (裴俊琛), Godbey, K. "Quantum Entanglement in Nuclear Fission." *Physics Letters B* 861, 139248 (2025). DOI: 10.1016/j.physletb.2025.139248
- Robin, C.E.P. et al. "Quantum magic and multipartite entanglement in the structure of nuclei." *Physical Review C* 111, 034317 (2025). DOI: 10.1103/PhysRevC.111.034317
- Ayral, T., Duguet, T., Lacroix, D., Somà, V. (eds.) "Topical issue on quantum computing in low-energy nuclear theory." *European Physical Journal A* 61, 94 (2025). DOI: 10.1140/epja/s10050-025-01575-9
- Zemlevskiy, N.A., Froland, H.F., Caspar, S. "Optimization of algorithmic errors in analog quantum simulations." *Physical Review A* 109, 052425 (2024). DOI: 10.1103/PhysRevA.109.052425
- Savage, M.J. "Quantum Computing for Nuclear Physics." arXiv:2312.07617 (2023)
- Stetcu, I. et al. "Advancing quantum simulations of the nuclear shell model with ADAPT-VQE." *Physical Review C* (2025). DOI: 10.1103/bbkf-fjxj
- Li, A. et al. "A low-circuit-depth quantum computing approach to the nuclear shell model." *The European Physical Journal A* (2026). DOI: 10.1007/s44464-026-00009-9
- 马余刚, 王思敏. "2025年原子核物理科技热点回眸." 《科技导报》2026年第1期. 复旦大学现代物理研究所
- 国家自然科学基金委. "我国学者在原子核量子蒙特卡洛算法研究中取得进展." 2026年1月9日
- RIKEN. "New quantum computer on the Wako campus." 2025年2月12日
- Quantinuum. "RIKEN upgrades with System Model H2 quantum computer." 2026年4月16日