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量子绝热演化在材料拓扑相变模拟中的路径规划优化

摘要

量子绝热演化作为量子计算领域的重要研究方向，在材料拓扑相变模拟中展现出

巨大潜力。本报告系统探讨了量子绝热演化路径规划优化的理论框架、技术路线与实施

方案。通过对国内外研究现状的深入分析，结合量子计算与材料科学的交叉学科特点，

提出了一套完整的路径规划优化方法体系。研究结果表明，通过优化绝热路径设计，可

显著提升拓扑相变模拟的精度与效率，为新型量子材料研发提供重要理论支撑。本方案

预计将产生5项核心专利技术，建立3个标准化模拟平台，推动我国在量子计算与材

料科学交叉领域的战略布局。

引言与背景

量子计算发展的战略意义

量子计算作为颠覆性技术，已被列入国家”十四五”规划重点发展方向。根据《中国

量子信息技术发展报告(2023)》显示，我国在量子计算领域的研发投入年均增长率达

到35%，预计到2025年将形成千亿级市场规模。量子绝热演化作为量子计算的重要范

式，在解决组合优化问题和模拟量子系统方面具有独特优势。美国能源部2022年发布

的《量子计算发展路线图》明确指出，量子模拟将成为量子计算率先实现实际应用的领

域之一。

材料拓扑相变研究的重要性

拓扑材料因其独特的电子结构和物理性质，在自旋电子学、量子计算等领域具有广

泛应用前景。中国科学院物理研究所2023年的研究表明，拓扑材料市场规模预计将以

每年28%的速度增长。然而，传统计算方法在模拟复杂拓扑相变时面临指数级增长的

计算复杂度问题。量子绝热演化通过模拟量子系统的自然演化过程，为解决这一难题提

供了全新思路。

研究问题的提出

当前量子绝热演化在材料拓扑相变模拟中主要面临三个关键问题：一是绝热路径

选择缺乏系统性优化方法；二是路径演化过程中的退相干效应难以有效控制；三是模拟

精度与计算效率之间的平衡问题亟待解决。这些问题严重制约了量子绝热演化在实际

材料研究中的应用。本报告旨在通过路径规划优化，系统解决上述问题，推动量子计算

在材料科学领域的实用化进程。

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研究项目概述

项目定位与目标

本项目定位于量子计算与材料科学的交叉前沿领域，聚焦量子绝热演化路径规划

优化这一核心科学问题。根据《国家量子科技发展规划》的指导方针，项目

旨在突破量子模拟的关键技术瓶颈，建立国际领先的拓扑相变模拟平台。项目周期为三

年，分为理论研究、技术开发和应用验证三个阶段，最终目标是实现拓扑相变模拟精度

提升50%以上，计算效率提高3个数量级。

研究范围界定

项目研究范围涵盖四个主要方面：量子绝热演化理论基础、路径规划算法设计、材

料相变模拟应用和实验验证平台建设。重点研究内容包括：(1)基于机器学习的路径优

化方法；(2)抗退相干路径设计策略；(3)多尺度相变模拟框架构建；(4)标准化模拟流

程制定。研究将聚焦于二维拓扑绝缘体、外尔半金属等典型材料体系，确保研究成果的

普适性和可推广性。

技术路线概述

项目采用”理论算法应用”三位一体的技术路线。在理论层面，建立量子绝热演化的

数学描述框架；在算法层面，开发基于强化学习的路径优化算法；在应用层面，构建材

料拓扑相变模拟的完整解决方案。技术路线充分考虑了量子计算硬件的发展趋势，兼容

超导、离子阱等多种物理实现方案，确保研究成果的前瞻性和可持续性。

政策与行业环境分析

国家政策支持体系

国家层面已形成较为完善的量子科技政策支持体系。《“十四五”数字经济发展规划》

明确提出要加快量子计算技术研发和产业化进程。科技部2023年启动的”量子信息科

学”国家重点研发计划中，专门设立了”量子模拟与计算”重点专项，年投入超过10亿元。

此外，国家自然科学基金委员会在年间资助了120余项相关研究项目，总经

费达8.5亿元，为本研究提供了强有力的政策保障。

产业发展现状分析

全球量子计算产业呈现快速发展态势。根据麦肯锡2023年发布的量子计算产业报

告，预计到2030年全球市场规模将达到700亿美元。我国量子计算企业数量已从2020

年的15家增长至2023年的68家，形成了完整的产业链条。在材料模拟领域，量子