第一性原理核结构量子计算研究取得新进展

近期，中国科学院近代物理研究所科研团队在多费米子系统第一性原理核结构的量子计算研究中取得新进展。团队构建了一套普适性量子-经典混合计算框架，可用于计算核多体系统的格林函数和谱函数。相关成果以快报(Letter)形式发表于《Physical Review C》。

第一性原理哈密顿量多体计算是揭示量子强关联体系规律的核心手段，广泛应用于量子化学、核物理等领域，但这类问题的希尔伯特空间随粒子数呈指数级增长，在经典计算机上面临难以逾越的计算资源限制。量子计算有望成为破解这一“指数墙”难题的颠覆性技术。现有的量子算法大多仅能求解基态等有限能级，无法获取体系完整束缚态谱与角动量等关键结构信息。此外，传统的编码方案线路编译开销高昂，严重制约了其在真实核结构问题中的应用。

近代物理所理论物理研究团队与合作者提出了一种适用于多费米子哈密顿量的新型量子编码方案。该方案规避了传统方法巨大的编译开销，且完整保留哈密顿量本身的内禀对称性，将所需量子门数量压缩至理论下界。

依托该编码方案，研究团队进一步构建了可求解原子核多体系统格林函数与谱函数的量子-经典混合计算框架。团队基于谱函数求解方案设计了双层扫描策略，能够完整求解全部束缚态能谱，包含各束缚态能量与对应角动量，规避了变分类量子算法面临的参数优化困难。

作为验证性计算，研究人员基于真实核相互作用哈密顿量，使用该量子算法计算得到了氧-20核素全束缚态能谱及对应总角动量量子数。基于经典模拟器开展的量子模拟结果与经典全组态相互作用计算结果符合良好，同时和实验结果有较好一致性。该框架兼具普适性与可扩展性，为原子核结构第一性原理的量子计算提供了新路径，可直接推广至多领域强关联多体问题研究。

此工作由近代物理所、先进能源科学与技术广东省实验室、美国爱荷华州立大学、劳伦斯伯克利国家实验室共同完成。论文第一作者为近代物理所杜伟杰副研究员，通讯作者为近代物理所刘子鑫博士后。该研究得到了中国科学院人才计划、先进能源科学与技术广东省实验室“卓越青年”等项目的支持。

图： (a) 量子-经典混合算法框架示意图。(b) 基于该框架计算得到的氧-20能量本征态激发能与总角动量J值，及其与经典全组态相互作用计算结果和实验值的对比。(c-f) 不同总角动量投影及能量分辨率下的氧-20谱函数扫描示意图。