清華大學(xué)段路明研究組首次實(shí)現(xiàn)基于數(shù)百離子量子比特的量子模擬計(jì)算

中國(guó)教育報(bào)-中國(guó)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(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。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(guó)際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊Nature（《自然》），被審稿人稱(chēng)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)?；徽J(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200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。

本工作中，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。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?；治鲵?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。

該論文第一作者為清華大學(xué)交叉信息研究院2020級(jí)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(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(zhuān)項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。