实现量子热力学算法量子模拟 量子核函数展开方法落地

有限温度下的物质量子特性刻画，是理解复杂材料体系演化规律、复现大规模宏观热力学现象的核心底层基础。

传统经典计算框架在处理多体量子系统的热力学模拟问题时，随着系统希尔伯特空间维度指数级扩张，计算开销会呈指数级快速增长，最终无法支撑大尺度体系的精准热力学特性求解。

此前领域内的主流量子热力学模拟方案，大多聚焦于特定温度下吉布斯态的直接制备，完成单次定点温度的热力学量采样计算，整个过程需要反复执行大量不同温度下的独立制备流程，最终才能拼接出不同温度下的性能参数分布，整体模拟效率低下，也难以直接得到自由能随温度连续演化的解析函数形式，限制了对体系完整热力学行为的全局认知。

近日，中国科学技术大学潘建伟院士团队与复旦大学李晓鹏团队合作，相关研究成果以“Algorithmic Quantum Simulations of Quantum Thermodynamics”为题正式发表于国际物理学期刊《物理评论快报》，该研究成果同步入选PRL的“Editors’Suggestion”编辑推荐论文，作为当期亮点文章被期刊重点推介，第一完成单位为中国科学技术大学。

研究团队依托量子核函数展开（QKFE）核心方法，在超导量子硬件上完整搭建出量子热力学的算法模拟方案，直接生成自由能关于温度的解析函数，且该函数满足一致收敛特性，彻底打破了此前定点温度模拟框架的效率瓶颈，为可编程量子设备上的热力学势通用计算搭建起全新的底层框架。

该全新模拟方案没有采用传统框架直接制备单温度点热态的思路，转而利用量子内核函数展开的算法设计思路，将整个有限温度下的全谱系热力学性质表征，转化为一套可在量子硬件上高效执行的统一计算流程。

整套算法最终输出的自由能是关于温度的全局连续解析函数，无需逐点重复运行不同温度下的独立制备流程，仅通过在量子硬件上执行次数有限的量子演化操作，就可以覆盖从低温到高温的全温度区间，一次性得到全温度范围内所有温度点对应的自由能数值，相当于直接得到一把覆盖全温度区间的“连续温度测量标尺”。

依托这套自由能的解析函数，后续无需任何额外的量子硬件操作，就可以通过解析推导过程，直接同步得到熵、热容、相变临界性等几乎所有核心热力学性质，大幅提升了量子热力学模拟的计算效率，同时彻底规避了此前逐点热态制备方案中必然存在的大量重复操作开销。

为完整验证该量子热力学模拟算法的实际性能，研究团队将横场伊辛模型与XY模型这两个凝聚态物理领域的经典基准模型作为测试对象，在超导量子比特硬件平台上完成了全流程的模拟实验验证。

团队分别完成了模拟型与数字型两类不同实现路径的QKFE算法实验部署，最终所有实验输出的热力学模拟结果，都和体系的理论精确解实现了定量层面的完全吻合，直接证实该量子核函数展开方案在真实含噪声超导量子硬件上完全具备可运行性，且模拟输出的结果精度完全满足后续实际研究的应用需求。

该实测结果直接验证了这套全温度连续热力学模拟新范式的物理可行性与性能优越性，为后续在更大规模量子硬件上拓展模拟更复杂的多体体系扫清了实验层面的核心障碍。

整套量子核函数展开算法框架，完全不依赖特定物理体系的专属定制参数，具备通用适配特性，后续可以无缝拓展应用到各类不同的凝聚态物理体系、复杂化学分子体系以及功能材料体系的热力学性质模拟任务中。

该通用模拟框架落地之后，研究人员无需为每一类新体系重新设计专属的热态制备量子线路，仅通过调整少量适配目标体系的演化参数，就可以直接输出该体系全温度区间内的全部核心热力学性质，大幅降低了量子热力学模拟的使用门槛。

该技术路径直接指向当前经典模拟方法完全无法高效处理的大尺度多体体系热力学计算场景，后续将在高性能先进功能材料设计、复杂药物分子热力学性质模拟等前沿应用方向提供关键的算力支撑。

依托相关研究量子热力学算法模拟方案的持续迭代优化，后续研究人员可以进一步探索复杂量子多体系统在全温度谱系下的相演化规律，为极端条件下的新材料研发、复杂化学反应热力学过程模拟等实际应用场景，提供远超经典计算机算力上限的全新解决方案。

DOI：10.48550/arXiv.2511.22898