近日，清華大學(xué)段路明研究組在量子模擬計算領(lǐng)域取得重要突破，首次實現(xiàn)512離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁冷卻以及300離子量子比特的量子模擬計算。該工作實現(xiàn)了國際上最大規(guī)模具有單比特分辨率的多離子量子模擬計算，將原來的離子量子比特數(shù)國際紀(jì)錄（61離子）往前推進了一大步，并首次實現(xiàn)基于二維離子陣列的大規(guī)模量子模擬。

上述成果研究論文于5月30日發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊《自然》，被《自然》審稿人稱為量子模擬領(lǐng)域的 “巨大進步”，“值得關(guān)注的里程碑”。

離子阱系統(tǒng)被認(rèn)為是最有希望實現(xiàn)大規(guī)模量子模擬和量子計算的物理系統(tǒng)之一。多個實驗驗證了離子量子比特的高精密相干操控，該系統(tǒng)的規(guī)�；�被認(rèn)為是主要挑戰(zhàn)。此前研究人員在保羅型離子阱中實現(xiàn)了最多61個離子一維陣列的量子模擬。雖然基于彭寧型離子阱可實現(xiàn)更大規(guī)模約兩百離子的量子模擬，但因缺乏單比特分辨探測能力而難以提取量子比特空間關(guān)聯(lián)等重要信息，無法用于量子計算和精密的量子模擬。

上述工作中，段路明團隊研究人員利用低溫一體化離子阱技術(shù)和二維離子陣列方案，大規(guī)模擴展離子量子比特數(shù)并提高離子陣列穩(wěn)定性，首次實現(xiàn)512離子的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，并首次對300離子實現(xiàn)可單比特分辨的量子態(tài)測量。

研究人員進而利用300個離子量子比特實現(xiàn)可調(diào)耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計算。據(jù)悉，長程橫場伊辛模型是一類重要的量子多體模型，有助于理解量子信息、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的基本問題，也可用于求解優(yōu)化問題等現(xiàn)實應(yīng)用。

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實驗獲得512離子二維陣列圖像與典型300離子單點分辨測量結(jié)果

一方面，研究人員通過準(zhǔn)絕熱演化制備阻挫伊辛模型的基態(tài)，測量其量子比特空間關(guān)聯(lián)，從而獲取離子的集體振動模式信息，并與理論結(jié)果對比驗證；另一方面，研究人員對該模型的動力學(xué)演化進行量子模擬計算，300個離子量子比特同時工作時所能執(zhí)行的計算復(fù)雜度達(dá)到2的300次方，超越經(jīng)典計算機的直接模擬能力。該實驗系統(tǒng)為進一步研究多體非平衡態(tài)量子動力學(xué)這一重要難題提供了強大的工具。

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典型300離子長程橫場伊辛模型量子模擬計算結(jié)果

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0