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超导量子核物理

2026-08-03

原子核是一台量子机器。几十个质子和中子的波函数纠缠在一起，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，经典计算机的内存放不下。这个"放不下"正是量子计算机的入场券：它天生处理量子态。过去十年，物理学家试着把最微缩的核物理问题搬上真实的量子芯片。2018年，橡树岭国家实验室的团队用IBM的云端超导量子处理器算出了氘核的结合能——第一个在量子计算机上求解的原子核。那台机器只有2个量子比特，噪声大得离谱，算出来的能量-1.74 MeV和精确值差了约1%。但门开了。

这篇文章讲的是两条线：格点规范理论，和核壳模型。一条朝上，试图在量子硬件上重新走一遍强相互作用的道路；一条朝里，试图用变分算法求解真实核的能谱。两条线的硬件主角，都是超导量子比特。

先看格点规范理论。它要回答的问题很硬：QCD——描述强相互作用的基本理论——在有限重子密度下会怎样？经典方法在这里卡壳，因为蒙特卡洛遇到"符号问题"：被积函数正负剧烈振荡，统计误差随系统大小指数爆炸。量子计算机用哈密顿量形式、用酉门直接演化量子态，天然绕开符号问题。但QCD太复杂，没人敢一上来就全尺寸模拟。于是大家退到最简的模型：Schwinger模型——一维的量子电动力学，只有电场和正负电子，但已经包含禁闭、弦、粒子对产生这些强相互作用的骨架。

2016年，因斯布鲁克的离子阱用4个离子模拟了Schwinger模型的粒子对产生。2018年，华盛顿大学和橡树岭的团队把它搬上了IBM超导芯片。真正的跳跃发生在2024年。Farrell、Illa、Ciavarella和Savage在IBM Eagle处理器上用了100个量子比特制备Schwinger模型的真空态，发表在《PRX Quantum》；同年他们又在IBM Heron处理器上用112个量子比特模拟了强子波包的传播，发表在《物理评论D》。两个实验的关键不是比特数，而是一个叫SC-ADAPT-VQE的方法：先在经典模拟器上用小系统验证电路设计，确认物理结构（基态关联的指数衰减）能给出规律性的电路，然后直接把同一结构放大到100多个量子比特，不需要重新设计。误差缓解手段也上了全套——算子退相干重整化、动力学解耦、Pauli twirling——硬生生从噪声里把物理量捞出来。112量子比特的实验跑了14个Trotter步、13858个两比特门、CNOT深度370，强子的传播清晰可见，和矩阵乘积态的经典模拟吻合。

再往前一步，2025年DESY和IBM合作的团队在超导芯片上看到了Schwinger模型在θ=π处的一阶相变信号。Zemlevskiy在IBM Heron上用120个量子比特模拟了一维标量场论的波包散射。超导平台把场论模拟的规模推到了100比特以上。

但要说"最难的一步"，落在离子阱上。2025年，马里兰大学、滑铁卢和杜克大学的团队在镱离子阱上第一次在量子计算机里模拟了QCD的相图——注意，这里用的是离子阱，不是Quantinuum的H2。他们用闲置的振动模式当辅助自由度，不增加离子数就制备出了有限温度的热态；用"色单态测量"实现规范不变的约束。SU(2)和SU(3)规范理论在有限密度和有限温度下的手征凝聚从真空相过渡到重子相，和精确对角化误差在5%以内。这是人类第一次在量子计算机上以有限密度有限温度模拟两色与三色QCD。

再看核壳模型这条线。壳模型把价核子放进有效势，对角化组态空间。组态空间爆炸的速度惊人：pf壳的⁴⁸Cr，M-scheme维度接近两百万；⁵⁶Ni，超过十亿。经典Lanczos对角化能扛到十亿量级，但再往上就是超级计算机也啃不动的骨头。量子计算机原则上可以用指数级更少的资源处理这么大的空间——前提是你能把算法跑起来。

2018年氘核是第一块里程碑。2022年，CERN、日内瓦大学、AWS和UTK的团队在IBM的27比特芯片上算了⁶Li的壳模型——注意，作者是Kiss、Grossi、Lougovski那组人，不是Lacroix那组。基态能量误差3.8%，第一激发态误差0.12%，误差缓解救回了噪声里快丢光的精度。同年，Romero、Engel、Tang和Economou把ADAPT-VQE引入核结构；巴塞罗那团队在2023年把它推广到横跨p/sd/pf壳的十几个核素，⁶Li只需要9层就达到10⁻⁷的相对误差。

2025年出现了一批真正的算法创新。印度理工学院鲁尔基分校和劳伦斯利弗莫尔实验室的Singh、Siwach、Arumugam用Gray码编码压缩量子比特，配上qubit-ADAPT-VQE和VQD，算出了³⁸Ar和⁶Li的基态和激发态——注意，这篇发表在《物理评论C》112卷的论文作者是他们，不是Stetcu。同一时期，萨里大学的Sarma和Stevenson提出了一种彻底不同的映射：把每个Slater行列式映射到一个量子比特，而不是每个单粒子轨道。代价是量子比特变多，但电路深度骤降，哈密顿量变成单体形式。他们用22到29个量子比特算了⁶Li到⁹Li、¹⁸F、²¹⁰Po和²¹⁰Pb，零噪声外推之后偏差小于4%。这篇论文发表在《Discover Quantum Science》，不是EPJA——EPJA 2026年那篇量子核结构论文是巴塞罗那Pérez-Obiol团队的"熵驱动纠缠锻造"。

中国在这条赛道上的位置有点特别。硬件已经进入第一梯队：中科大的祖冲之3号有105个量子比特，2025年3月发表在《物理评论快报》封面；祖冲之3.2号有107个比特，2025年12月在同一期刊实现了d=7表面码低于阈值的量子纠错，和Google的Willow同期。本源量子推出了180比特的"悟空-180"，中国电信的"天衍-504"有504个比特。这些芯片的规模已经超过IBM的Heron。但"超导芯片+核物理"这个交叉点上，公开成果还很小：清华龙桂鲁团队2023年在《中国科学：物理力学天文学》封面发表了QCSH——一个"全量子"核壳模型包，用LCU和FQE方法，在国产Quafu超导芯片上算出了氘核结合能-1.748 MeV，这是国产超导硬件上的第一个原子核壳模型计算；中科院物理所范桁团队2022年用10个transmon比特看到了演生的Z₂规范不变性；BAQIS的王子婷在超导芯片上第一次观测到介子-介子非弹性散射。就这些了。没有一记对标IBM那112个量子比特的旗舰演示。

这里必须诚实地讲清楚一个现状：这个领域还没有实现任何公认的量子优势。所有NISQ演示都停留在"轻核+个位数百分比精度"。DMRG和矩阵乘积态这些经典方法始终能复现甚至超越量子硬件的实验结果。2023年IBM声称127比特Eagle芯片展现了"量子效用"，被加州理工的张量网络计算在不到0.01的误差内当场复现——"量子效用"的定义之争到现在没打完。变分算法还有个叫"贫瘠高原"的魔咒：梯度随系统规模指数消失。核物理里的ADAPT-VQE在具体算例中避开了它，但那不是一般性保证。还有一个来自经典侧的挑战：中物院研究生院的吕炳楠2025年在《物理评论快报》发表了无符号问题的核量子蒙特卡洛——注意，这是经典算法，不是量子计算——他用一种新的格点核力，对76个偶偶核算出了和实验标准差约2.9 MeV的结合能，媲美唯象平均场模型。这直接挑战了"壳模型必然需要量子计算机"的叙事：对偶偶核，经典方法找到了多项式时间的解法。

真正的转折点在容错。2024到2025年，纠错量子计算接连突破阈值：Google的Willow和中国的祖冲之3.2都实现了低于阈值的表面码纠错，QuEra在中性原子上做到96个逻辑比特，Quantinuum在离子阱上做到94个。IBM的路线图说2029年交付200个逻辑比特的Starling，美国能源部的Genesis计划把目标定在2028年。行业共识是第一批"科学效用"出现在2028到2035年之间。到那时，真正有分量的目标才够得着：一阶量子化的低能核散射——Spagnoli等人的估计是"数千万个T门加几百个逻辑比特"；有限重子密度的QCD相图和中子星物态方程——公认量子计算机最可能提供经典方法拿不到信息的利基问题；无中微子双β衰变的核矩阵元。终极圣杯——物理参数的3+1维格点QCD——需要数百万物理比特，还在容错地平线之外。

从2018年的2个比特算氘核，到2024年的112个比特模拟强子，用了六年。从112到1024，也许不需要六年。中国的位置正好卡在最有意思的地方：硬件规模已经够大，纠错已经破阈值，但核物理模拟还停在小规模演示。祖冲之3.2和天衍-504上还没有跑过一次100比特以上的核物理计算。硬件已经就位，算法已经在IBM芯片上验证过，缺的是一次把两者接起来的尝试。

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