借助IBM量子积分探索下一代量子算法

量子硬件再强大，也需要与之匹配的算法才能发挥全部潜力。量子计算的进步不仅依赖于构建更先进的系统，更需要研究人员开发出能够充分利用这些能力的新方法。正因如此，IBM自始至终将开放访问列为优先事项——十年前率先将量子计算机接入云端，此后又通过IBM量子开放计划、课堂账户以及IBM量子积分等项目持续推进。

IBM量子积分计划邀请研究人员提交高质量项目提案，以纯技术评审为标准，为入选者提供免费访问IBM量子计算机的机会。本文将重点介绍四个近期受益于该计划的项目，展示这些新算法与方法如何拓展当今量子硬件的应用边界。

量子积分计划重点支持由新颖算法和方法驱动、具有实用规模研究价值的高影响力提案。申请人通常为助理教授或专业研究人员，需提供清晰可行的计划，说明如何在真实量子硬件上获得有意义的结果，并在5至10小时的量子处理器时间内取得进展。

粒子碰撞量子模拟

研究动机：物理学家利用粒子对撞机探索物质的基本结构，通过高能碰撞将能量转化为新粒子。由于难以表示多个相互作用粒子的量子态，经典计算机无法从第一性原理模拟复杂的粒子碰撞，而量子计算机在填补这一空白方面展现出巨大潜力。

研究成果：量子积分受益者、加州理工学院的Roland Farrell与华盛顿大学的Nikita Zemlevskiy，针对碰撞模拟开发了一种全新的量子态制备方法。该算法利用W态制备技术，结合中途测量与经典前馈，以恒定深度量子电路制备粒子散射模拟所需的局域粒子态（即"波包"），有效规避了早期方案的扩展瓶颈。在实验演示中，团队使用IBM量子硬件模拟粒子碰撞，首次在基于门的量子模拟中观测到新粒子从相互作用中涌现。该成果已在IBM量子开发者大会上发表，Zemlevskiy在主题演讲中展示了相关结果。

量子积分的作用：Farrell和Zemlevskiy表示，量子积分对于将理论方案转化为可运行的实验演示至关重要。"超出IBM量子开放计划基础额度的运行时间，对于完善我们的模拟和错误缓解策略不可或缺。"Farrell进一步指出："在量子硬件上运行实验不只是一种演示，每次迭代都让我对所模拟的系统有了新的认识。"

大规模量子态的高效重构

研究动机：要理解和验证量子计算机，必须重建其产生的量子态——不仅是描述孤立系统的"纯态"，还有反映系统与环境相互作用的"混态"。随着系统规模增大，这一任务会变得极为困难。量子积分受益者、格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的Benoit Vermersch与其学生Matteo Votto等合作者，致力于开发一种能在真实实验条件下高效学习和表征大型噪声量子态的方法。

研究成果：该团队提出了一种利用随机测量将量子态重构为张量网络的协议，将其压缩为高效的经典表示，从而无需重复测量即可提取纠缠、熵等全局性质。实验中，团队使用IBM量子硬件重构了多达96个量子比特的纠缠态，证明该方法的扩展能力远超以往方案。所学表示还能捕捉噪声和退相干，进而通过更高效的经典后处理实现大规模错误缓解。

量子积分的作用：Vermersch表示，量子积分计划不仅提供了实验访问权限，更带来了动力与正确的实验情境。"它让你的理论方案真正适配实验场景。总有一些东西是在没有实验数据的情况下无法预判和控制的。"他还强调，申请流程简便，IBM量子团队的支持使从提案到实验的过渡十分顺畅。

受阻挫格子的变分量子本征求解

研究动机：最有趣的量子材料往往由极难经典模拟的复杂多体相互作用定义，其中"受挫"现象尤为突出——系统的几何结构使粒子相互作用无法同时满足。卡戈米格子是一种由角共享三角形组成的二维网络，是典型的受挫系统，自然编码了反铁磁相互作用，并产生高度简并、强纠缠的基态。准确计算这些格子模型的基态能量是物理学的核心挑战，而在量子硬件上制备这些态通常需要当前设备难以承受的深度电路。

研究成果：量子积分受益者、拉合尔工程技术大学的Muhammad Ahsan开发了一种可扩展的变分量子本征求解器（VQE）算法。该算法将硬件高效拟设与新颖的哈密顿量校准策略相结合，通过将计算重构为经典优化的子问题并在量子处理器上重新组合，在保持精度的同时降低了电路深度。实验中，他计算了一个包含103个量子比特、经典精确方法无法处理的系统的基态能量，结果接近领先的经典近似值，同时揭示了系统的非经典特征。

量子积分的作用：Ahsan强调了硬件访问作为创新驱动力的重要性，以及与其他受益者和IBM量子团队交流方法与理念的价值。"量子积分提供了对低错误率分数门处理器的早期访问，这是真正的游戏规则改变者。"直接与量子硬件交互塑造了他在算法设计和噪声缓解方面的思路，最终实现了大规模实验的成功执行。

哈密顿量子色动力学模拟

研究动机：经典超级计算机通过模拟量子色动力学（QCD）等物理理论，帮助物理学家研究自然界的基本力。QCD描述了夸克和胶子如何相互作用以形成质子、中子等更大的粒子。然而，由于"符号问题"等使底层数学呈指数级复杂的挑战，实时动力学和某些相结构等关键问题仍超出经典模拟的能力范围。

研究成果：量子积分受益者、BITS比拉尼果阿校区的Indrakshi Raychowdhury数十年来致力于开发更适合量子计算的基本物理理论替代表述。在量子积分计划支持下，她与合作者基于哈密顿量表述开发了量子模拟算法，利用规范场论物理自由度的量子力学描述，将问题更自然地映射到量子硬件上。这些方法旨在保留底层物理，同时使模拟更易处理，为研究挑战经典方法的复杂量子场论提供了路径。相关方法植根于格规范理论和哈密顿量模拟，具有广泛迁移性，可应用于从QCD到量子多体及凝聚态系统等多个领域。

量子积分的作用：Raychowdhury表示，量子积分计划帮助她弥合了理论思想与实验之间的差距。"量子积分计划非常出色，它提供了对最先进量子硬件以及Qiskit插件、高级错误缓解技术等工具的访问。"她建议其他申请者：明确经典方法力不从心的问题，构建概念验证，并利用真实量子设备完善和基准测试自己的方法。

对有意申请量子积分计划的研究人员而言，上述案例既是启发，也是实践指南：从清晰定义的问题出发，开发新颖的技术方案，并做好在真实量子硬件上反复迭代的准备。成功的提案不只需要好想法，申请人还应先通过IBM量子开放计划在真实硬件上验证方案，最具影响力的工作来自于能在真实硬件上扩展的新方法。

Q&A

Q1：IBM量子积分计划是什么？谁可以申请？

A：IBM量子积分计划是IBM面向研究人员推出的一项免费访问计划，申请人提交高质量项目提案后，可根据技术评审结果获得直接访问IBM量子计算机的权限。申请人通常为助理教授或专业研究人员，需提供清晰可行的实验方案，并能在5至10小时的量子处理器时间内取得有意义的进展。研究人员可先通过IBM量子开放计划免费体验硬件，再申请量子积分以获取更多资源。

Q2：IBM量子积分计划支持哪些类型的研究项目？

A：量子积分计划重点支持由新颖算法和方法驱动、具有实用规模研究价值的高影响力提案。已资助的项目涵盖粒子碰撞量子模拟、大规模量子态重构、受阻挫格子基态能量计算，以及基于哈密顿量的量子色动力学模拟等方向。计划强调创新性，要求申请人开发新方法，而非将现有技术简单应用于新数据集。

Q3：参与IBM量子积分计划的研究人员能获得哪些支持？

A：参与者可获得免费、直接访问IBM量子计算机的权限，包括访问低错误率分数门等先进处理器，以及Qiskit插件和高级错误缓解技术等工具。此外，IBM量子团队会提供技术支持，帮助研究人员从提案顺利过渡到实验阶段。研究人员还保留对自己成果的完全控制权和知识产权，有利于推动具有影响力的科研和创业项目。