高温超导难题悬而未决 40 年，全球能源巨头转向量子模拟

文丨浪味仙  排版丨浪味仙

行业动向：2800字丨7分钟阅读

高温超导现象发现已有 40 年，它有望让发电机更轻、电动机更紧凑，让输电线路在有限空间内承载更大的电流，但科学家至今仍未完全弄清部分高温超导材料背后的物理机制，想要按照工业需求设计出性能理想、成本可控的新材料，依然十分困难。

当地时间 10 月 27 日，量子计算公司 Quantinuum 宣布与全球能源设备制造商 GE Vernova 旗下先进研究中心展开合作，计划利用 Quantinuum 研发的 Helios 离子阱量子计算机，研究高温超导材料中的复杂电子行为。GE Vernova 的业务覆盖发电设备、风力发电和电网基础设施，双方希望通过量子模拟，进一步理解与超导有关的电子相互作用。

图源网络

此次合作已有一定的实验基础。Quantinuum 此前利用 Helios 研究过与高温超导有关的简化物理模型，并测量到电子配对关联。如今，GE Vernova 将提供材料科学和工程仿真方面的专业知识，参与选择研究问题并解释模拟结果，双方希望进一步检验这些量子计算结果能多大程度为理解真实超导材料提供帮助。

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高温超导的工业诱惑

大型发电机的设计，需要在输出功率、重量、体积、散热和制造成本之间反复权衡，绕组材料能够承载多大的电流，是影响设备性能的重要因素。超导材料在适当的温度、磁场和电流条件下，可以以零直流电阻传输电流，并承载很高的电流密度。如果使用合适的超导绕组，就有机会缩小发电机体积、减轻重量，提高功率密度。

1986 年，科学家发现了铜氧化物高温超导体。这里的“高温”是相对于传统超导材料而言的，许多高温超导体依然需要在远低于室温的条件下工作，部分材料可以在液氮温区保持超导状态，降低了部分应用场景的冷却难度。不过，材料制造、运行可靠性和冷却成本等因素，仍然制约着相关技术的广泛应用。

铜氧化物等非常规高温超导材料中的电子存在复杂的相互作用，科学家仍在研究这些相互作用如何促成电子配对，以及相关量子关联怎样与材料的超导性质联系起来。即便找到性能良好的材料，研究人员也未必能够充分解释其物理机制，更难以直接根据理论预测下一种值得制造的材料。理解这些机制，有望为寻找和改善超导材料提供更可靠的理论依据。

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捕捉到电子配对关联

高温超导研究面临的一个困难，是大量电子之间相互影响，形成复杂的集体量子行为。经典计算已经为这类研究提供了许多有效工具，但当模型规模扩大、电子相互作用增强，或者需要研究系统随时间的演化时，部分计算任务会变得十分困难。原因之一是，在经典计算机上完整描述一般多体量子态，所需处理的信息量可能随着粒子数量呈指数增长。量子计算机能够利用量子比特自身的量子特性表示和操控某些多体系统，为研究这些问题提供另一种方法。不过，硬件噪声、量子态制备和测量成本，同样影响着这种方法的实际能力。

此次合作关注的费米－哈伯德模型，将复杂材料抽象为许多格点，用来研究电子在格点之间的运动及相互作用。在其中的排斥型模型中，两个自旋相反的电子如果占据同一个格点，就会产生额外的排斥能量。对于方格晶格和棋盘格模型，研究人员希望了解，这种局域排斥作用下能否出现与超导有关的配对关联。论文还研究了另一种双层模型，其中的层间自旋交换耦合也会影响电子配对行为。

Quantinuum 此前已经在 Helios 离子阱量子计算机上进行了相关实验。2025 年 11 月，研究团队在预印本平台 arXiv 公布了一项研究，在三类费米－哈伯德模型中测量到与超导有关的电子配对关联，其中包括与铜氧化物高温超导研究相关的 d 波配对关联，以及与镍基超导体研究有关的双层模型中的 s 波配对关联。研究团队指出，据其所知，这是量子模拟平台首次在排斥型费米－哈伯德模型中观测到超导配对关联。

图源 Quantinuum

这些测量关注的是不同位置上与电子配对有关的量子关联，仅仅统计各个位置有多少电子，还无法获得这些信息，研究人员需要制备特定的量子态，再通过专门设计的测量过程提取配对关联。Helios 实验完成了相关量子态制备和测量，为研究强关联电子行为提供了实验基础。

实验已经测量到特定模型中的配对关联，距离确认稳定的宏观超导状态仍有一段距离。论文作者指出，现有硬件噪声限制了更低温模型量子态的制备，要稳定制备更低温的态，还需大幅降低门错误率、增加演化步数。对于真实材料中的超导机制，这项研究目前提供的是简化模型中的实验信息，研究团队并未宣称量子计算在相关任务上比经典方法更具性能优势。

按照合作公告，Quantinuum 将提供 Helios 量子计算机及相关软件工具，GE Vernova 则贡献材料科学、工程仿真和工业应用方面的专业知识。对于物理学家来说，弄清某种模型在什么条件下会出现配对关联，本身具有研究价值；材料科学家则需要进一步判断这些条件是否与真实材料相符，计算结果能否解释已有的实验现象。

GE Vernova 的参与，有助于双方共同判断哪些材料问题值得投入量子计算资源，也能让公司在实际研究中积累评估这项技术的经验。目前，合作公告尚未列出具体的联合实验方案，相关研究对象与任务仍有待进一步披露。

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从物理模型到真实材料

GE Vernova 此前也探索过量子算法在材料研究中的用途，曾与英伟达研究人员合作，利用经典计算资源模拟量子算法，研究二氧化碳捕集材料的相关计算问题。此次合作计划则使用真实的 Helios 量子处理器，研究高温超导相关的电子行为。

图源 mckinsey

目前更实际的困难在于，如何让模型计算与真实材料建立可靠联系。费米－哈伯德模型通过少量参数描述电子运动和相互作用，实际高温超导材料却涉及复杂的晶体结构、电子轨道及其他物理因素。即使模型中出现明显的配对关联，研究人员仍需判断对应的参数条件是否与真实材料相符，以及相关结果能否解释已有实验。材料制造、机械可靠性、冷却和运行成本等工程问题，也需要另行解决。

10 月 27 日的合作公告尚未介绍双方共同完成的实验结果，也未提及新材料的研发或应用时间表。GE Vernova 计算材料物理高级科学家 Jonathan Owens 表示，公司希望借助此次合作积累相关专业能力，评估量子计算能够在哪些研究问题上作出实质贡献。公告还提到，这项合作将支持 GE Vernova 内部量子技术人才的培养。

GE Vernova 制造的是重达数吨的发电机，Helios 研究的是微观模型中电子之间的关联，两者之间隔着复杂的材料科学和工程难题，但能源巨头已经开始将目光投向那里。从解释电子配对，到影响材料实验的选择，这段距离将检验量子计算究竟能为高温超导研究带来多少帮助。

Reference：

1、https://www.quantinuum.com/blog/quantinuum-and-ge-vernova-collaborate-to-advance-high-temperature-superconductivity-research

2、https://arxiv.org/abs/2511.02125

3、https://pubs.aip.org/aip/adv/article/16/1/015102/3375973/Quantum-simulation-of-CO2-chemisorption-in-an

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