近日，上海微观纪元数字科技有限公司技术总监左芬博士带领团队，攻克了量子计算领域的一项悬而未决的难题——任意自旋态制备，为量子化学等领域提供了更灵活的量子态制备方案。
要理解微观纪元团队这项工作的重要意义，还要先从量子化学的一个重要问题——组态选择说起。
化学、材料和生物等领域的许多重要问题，例如设计高效催化剂、开发新型材料、研发靶向药物等，归根结底都指向同一个难题：如何准确描述分子中电子的关联行为。这一问题正是量子化学研究的重要内容。
图：碳原子和氮原子的电子排布示例（图源ChemistryLearner）
在量子化学中，电子在轨道上的不同排布方式称为“组态”。真实的分子状态往往是大量组态叠加而成的复杂量子态，不同组态的权重共同决定了分子性质。为了在精度和效率之间取得平衡，实际模拟需要从海量组态中挑选出贡献最大的关键组态，这一环节即组态选择。
组态选择的难点在于，随着电子数和轨道数增加，组态总数会呈组合数急剧增长。若依靠经典计算机逐一列举和处理，内存和算力消耗将迅速失控。
量子计算机为突破这一困境提供了新的可能。早在1982年，物理学家费曼就提出，量子计算机天然适合模拟自然界中的量子过程。与经典计算机不同，量子计算机能够利用量子叠加等特性来高效表示多体量子态。因此，如何高效制备具有特定物理性质的量子态，成为量子计算应用于量子化学的重要基础问题，同时有望将组态选择问题转化为量子态制备与演化问题来解决。
在量子计算框架下，组态选择与自旋态制备问题紧密相连。
图：电子自旋方向与量子比特基态对应关系（图源网络）
电子的自旋天然对应量子计算的基本单元，自旋向上和向下恰好对应量子比特的|0⟩态和|1⟩态。当多个电子相互作用时，自旋相互耦合，形成复杂的多体量子态，其耦合结构直接决定了分子的化学性质。
与此同时，电子组态通常需要进一步组合成具有确定总自旋的自旋本征函数。对于保持自旋旋转对称性的体系，不同总自旋的组态不会相互混合。这意味着，要在量子计算机上正确表示和演化组态，首先必须能够高效制备出具有确定总自旋的量子态。
因此，发展通用的任意自旋态制备方法，成为突破组态选择瓶颈、连接量子计算与量子化学应用的关键环节。
过去，研究人员已经发展出一些高效的自旋态制备方法，但这些方法通常仅针对具有特殊结构的自旋态。例如，所有粒子自旋完全同向的最大自旋态属于量子信息领域常用的Dicke态的一种特例，而Dicke态已被用于许多量子算法的初态设计，并发展出成熟的制备技术。谷歌团队近年提出的解码量子干涉术即选用Dicke态作为初态。后续研究进一步探索了Lieb-Mattis态等特殊态。
图：谷歌提出的解码量子干涉术选用Dicke态作为初态（摘自arXiv:2408.08292）
然而，从多粒子体系的状态空间来看，这些特殊自旋态仅覆盖其中一小部分。这就引出了一个长期存在的挑战：对于结构更一般、缺少明显对称性的多粒子自旋态，能否在量子计算机上实现高效、通用的制备？
此前，IBM团队在2022年的一篇论文中论证，任意自旋态的制备需要指数数量的量子门操作，因而难以高效完成。这一结论似乎为任意自旋态制备关上了大门。
微观纪元团队的最新成果恰恰推开了这扇门。团队没有局限于少数特殊自旋态的对称性，而是从多粒子自旋耦合过程本身出发，成功将自旋态制备范围拓展至若干量子比特所对应的完整自旋态空间。
微观纪元团队的核心思路主要体现在两个方面：一是借鉴并推广了Dicke态制备电路中的量子并行技术；二是引入并设计了两种能够直观描述多粒子自旋耦合关系的数学结构——分支图与自旋树。
图：分支图（上）与自旋树（下）（摘自arXiv:2608.22892）
分支图源于上世纪30年代化学家对多粒子自旋耦合过程的研究。对于量子态制备而言，分支图相当于一张描述自旋耦合关系的“路径图”，不同路径对应不同的自旋态，节点标记则反映了自旋态的简并度。
自旋树建立在2020年诺贝尔物理学奖得主于1971年提出的自旋网络的基础上。团队进一步引入耦合的时间和顺序关系，将原本的静态量子态描述，转化为能够指导量子态制备的动态量子过程。
在此基础上，团队将量子并行技术分别推广到两种结构上，形成了相应的量子制备电路。通过对各个节点的操作进行组合，可以构建完整的自旋态制备过程。这套方法首次给出了任意自旋态制备的通用方案，也为进一步研究多体量子系统中的结构化态空间打开了新的思路。
对于许多具有复杂电子结构的材料和分子体系，自旋态本身就是决定其物理、化学性质的重要因素。当我们能够对任意目标自旋态进行确定性制备时，就有望进一步将这种能力用于复杂材料和生物分子的电子结构研究，为材料设计和药物研发提供新的计算工具。
图：MOFs材料示意图（图源：微观纪元化学实验室宣传片）
金属有机框架（MOFs）是一类可设计的晶态多孔材料，由金属离子或金属簇与有机配体通过配位键自组装而成。凭借超高比表面积与结构功能可调性，MOFs在气体吸附分离、催化、光电磁传感、能源与环境净化等领域具有广泛的应用价值，正从实验室走向产业化。2025年诺贝尔化学奖也授予了在MOFs领域作出奠基性贡献的科学家。
MOFs的宏观性质是其微观电子自旋态的宏观投影。金属节点中的未配对电子的自旋构型直接影响了材料的磁性、光学性质以及催化活性。例如，在CoMnFcMOF电催化剂中，通过调控Co中心的自旋状态，使其由高自旋（HS）向中自旋（IS）转变，这正是其电荷转移效率提升与催化活性增强的微观根源之一。
图：CoMnFcMOF示意图（摘自https://doi.org/10.1021/acscatal.5c03901）
精准定向设计MOFs性能，重要前提之一在于对自旋态的预测与调控。但MOFs作为强关联体系，已超出常规单参考方法的可靠适用范围，这便赋予了自旋态计算以不可或缺的使命。
微观纪元团队发展了任意自旋态的确定性制备电路，并给出了相应的经典重建算法，不仅为未来在量子计算机上模拟复杂自旋体系打下了基础，同时也使得当前在经典计算机上系统生成和核验自旋态成为可能，从而为复杂材料的电子结构研究和自旋态调控提供了新的计算手段。
图：P450酶示意图（图源Wikimedia Commons）
细胞色素P450是人体中最重要的药物代谢酶家族，大量临床药物的代谢和清除都依赖其催化活性。而P450的催化功能，本质上正是依赖其活性中心——血红素铁原子在不同总自旋态之间的切换。铁原子的自旋状态直接影响了氧气活化以及底物氧化过程，进而影响药物在体内的停留时间和疗效。要在量子计算机上准确模拟这类自旋主导的化学过程，按需制备出与目标电子结构相对应的任意自旋态是重要基础之一。借助微观纪元团队提出的这套方法，未来有望在量子计算机上模拟细胞色素P450等酶的自旋动力学过程，为理解药物代谢机理、优化药物分子设计提供新的计算工具。
从材料中的催化与磁性，到生物分子中的药物代谢，自旋态都是连接微观电子结构与宏观功能的重要纽带。微观纪元团队这项工作的意义，不仅在于提出了一种能够制备任意自旋态的量子算法与电路，更在于为复杂多体自旋体系提供了一套从经典描述到量子制备的通用工具。随着量子计算硬件和量子化学算法不断发展，这一方法有望进一步拓展到更多复杂分子、材料和多体量子体系，为量子计算走向真实科学问题提供新的技术路径。
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