清華新聞網(wǎng)5月30日電 清華大學(xué)交叉信息研究院段路明研究組近日在量子模擬計(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。
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)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(shí)現(xiàn)了最多61個(gè)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(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。
圖1. 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
研究中，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。
圖2.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
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。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，并對(duì)末態(tài)分布進(jìn)行量子采樣，通過(guò)粗粒化分析驗(yàn)證其給出非平庸的概率分布，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3.研究組成員合影
5月29日，相關(guān)研究成果以“一個(gè)具有數(shù)百個(gè)被困離子的位置分辨二維量子模擬器”（A Site-Resolved Two-Dimensional Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions）為題，發(fā)表于《自然》（Nature）雜志。《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”。
清華大學(xué)交叉信息研究院2020級(jí)博士生郭世安為論文第一作者，交叉信息研究院教授段路明為論文通訊作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷，博士生葉京、張霖、王也、嚴(yán)若宇、易雨瑾、許煜麟、侯云瀚，博士后許鈺梓、張弛，助理研究員祁賓祥，副研究員周子超、何麗，以及華翊量子公司連文倩、姚睿、李博文、郭偉軒。研究得到科技創(chuàng)新2030—“量子通信與量子計(jì)算機(jī)”重大項(xiàng)目、新基石研究員項(xiàng)目、清華大學(xué)自主科研計(jì)劃、教育部、清華大學(xué)篤實(shí)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0
供稿：交叉信息研究院
題圖設(shè)計(jì)：趙存存
編輯：李華山
審核：郭玲
