清華大學(xué)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(xué)段路明研究組近日在量子模擬計算領(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(jìn)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(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature（《自然》），被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)模化被認(rèn)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(guān)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(tuán)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(kuò)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(jìn)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(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(jìn)行量子模擬計算，并對末態(tài)分布進(jìn)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(jī)的直接模擬能力。該實驗系統(tǒng)為進(jìn)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(qiáng)大的工具。

該論文第一作者為清華大學(xué)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(jī)”重大項目、新基石研究員項目、清華大學(xué)自主科研計劃、教育部、清華大學(xué)篤實專項和啟動經(jīng)費(fèi)的資助與支持。