記者從清華大學獲悉，中國科學院院士、清華大學交叉信息研究院教授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512離子二維陣列的穩定囚禁冷卻以及300離子量子比特的量子模擬計算。該工作實現了國際上最大規模具有單比特解像度的多離子量子模擬計算，將原來的離子量子比特數國際記錄往前推進了一大步，並首次實現基於二維離子陣列的大規模量子模擬。
該成果研究論文《具有單比特解像度的數百囚禁離子二維量子模擬器》(A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions)日前在《自然》雜誌官網在線發表，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」。
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果
據介紹，離子阱系統被認為是最有希望實現大規模量子模擬和量子計算的物理系統之一，該系統的規模化被認為是主要挑戰。本工作中，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，大規模擴展離子量子比特數並提高離子陣列穩定性，首次實現512離子的穩定囚禁和邊帶冷卻，並首次對300離子實現可單比特分辨的量子態測量。
研究人員進而利用300個離子量子比特實現可調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製備阻挫伊辛模型的基態，測量其量子比特空間關聯，從而獲取離子的集體振動模式信息，並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，並對末態分布進行量子採樣，通過粗粒化分析驗證其給出非平庸的概率分布，超越經典計算機的直接模擬能力。該實驗系統為進一步研究多體非平衡態量子動力學這一重要難題提供了強大工具。
頂圖圖説：段路明院士(右一)指導學生實驗 賈桂昊攝
典型300離子長程橫場伊辛模型量子模擬計算結果
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