清華大學段路明研究組首次實現(xiàn)基于數(shù)百離子量子比特的量子模擬計算

中國教育報-中國教育新聞網(wǎng)訊（記者 董魯皖龍）清華大學段路明研究組近日在量子模擬計算領域取得重要突破，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。該成果研究論文 A Site-Resolved 2D Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions 近日發(fā)表于國際權威學術期刊Nature（《自然》），被審稿人稱為量子模擬領域的 “巨大進步”“值得關注的里程碑”。

離子阱系統(tǒng)被認為是最有希望實現(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)?；徽J為是主要挑戰(zhàn)。此前研究人員在Paul Trap（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Penning Trap（彭寧型離子阱）可實現(xiàn)更大規(guī)模約200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聯(lián)等重要信息，無法用于量子計算和精密的量子模擬。

本工作中，段路明團隊研究人員利用低溫一體化離子阱技術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。一方面，研究人員通過準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聯(lián)，從而獲取離子的集體振動模式信息，并與理論結果對比驗證；另一方面，研究人員對該模型的動力學演化進行量子模擬計算，并對末態(tài)分布進行量子采樣，通過粗?；治鲵炞C其給出非平庸的概率分布，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)量子動力學這一重要難題提供了強大的工具。

該論文第一作者為清華大學交叉信息研究院2020級博士生郭世安，通訊作者為交叉信息研究院段路明教授。該研究得到了科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計算機”重大項目、新基石研究員項目、清華大學自主科研計劃、教育部、清華大學篤實專項和啟動經(jīng)費的資助與支持。