近日，清華大學(xué)段路明研究組在量子模擬計(jì)算領(lǐng)域取得重要突破，首次實(shí)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(jì)算。該工作實(shí)現(xiàn)了國(guó)際上最大規(guī)模具有單比特分辨率的多離子量子模擬計(jì)算，將原來(lái)的離子量子比特?cái)?shù)國(guó)際紀(jì)錄（61離子）往前推進(jìn)了一大步，并首次實(shí)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(guó)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(jìn)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(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子模擬和量子計(jì)算的物理系統(tǒng)之一。多個(gè)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了最多61個(gè)離子一維陣列的量子模擬。雖然基于彭寧型離子阱可實(shí)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(cè)能力而難以提取量子比特空間關(guān)聯(lián)等重要信息，無(wú)法用于量子計(jì)算和精密的量子模擬。

上述工作中，段路明團(tuán)隊(duì)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(kuò)展離子量子比特?cái)?shù)并提高離子陣列穩(wěn)定性，首次實(shí)現(xiàn)512離子的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，并首次對(duì)300離子實(shí)現(xiàn)可單比特分辨的量子態(tài)測(cè)量。

研究人員進(jìn)而利用300個(gè)離子量子比特實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合的長(zhǎng)程橫場(chǎng)伊辛模型的量子模擬計(jì)算。據(jù)悉，長(zhǎng)程橫場(chǎng)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(wèn)題，也可用于求解優(yōu)化問(wèn)題等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

圖片:52414D1510605F5449BE8214CC3_31979434_233A7.jpg

實(shí)驗(yàn)獲得512離子二維陣列圖像與典型300離子單點(diǎn)分辨測(cè)量結(jié)果

一方面，研究人員通過(guò)準(zhǔn)絕熱演化制備阻挫伊辛模型的基態(tài)，測(cè)量其量子比特空間關(guān)聯(lián)，從而獲取離子的集體振動(dòng)模式信息，并與理論結(jié)果對(duì)比驗(yàn)證；另一方面，研究人員對(duì)該模型的動(dòng)力學(xué)演化進(jìn)行量子模擬計(jì)算，300個(gè)離子量子比特同時(shí)工作時(shí)所能執(zhí)行的計(jì)算復(fù)雜度達(dá)到2的300次方，超越經(jīng)典計(jì)算機(jī)的直接模擬能力。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)為進(jìn)一步研究多體非平衡態(tài)量子動(dòng)力學(xué)這一重要難題提供了強(qiáng)大的工具。

圖片:9DE19A0EF7E56E198A7F1F2ED36_BCE3E2B7_8B0ED.png

圖片:1C42D1CC97A659D762E7400DA01_9964E5F1_27F26F.png

典型300離子長(zhǎng)程橫場(chǎng)伊辛模型量子模擬計(jì)算結(jié)果

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