本报讯（记者陈彬）近日，中国科学院院士、清华大学教授段路明研究组在量子模拟计算领域取得重要突破。该团队实现了国际上最大规模、具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将原来的离子量子比特数国际纪录（61个离子）向前推进了一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。相关论文发表于《自然》。
离子阱系统被认为是最有希望实现大规模量子模拟和量子计算的物理系统之一。多个实验验证了离子量子比特的高精密相干操控，但系统的规模化被认为是主要挑战。此前，研究人员在保罗型离子阱中实现了最多61个离子一维阵列的量子模拟。虽然基于彭宁型离子阱可实现更大规模约200个离子的量子模拟，但因缺乏单比特分辨探测能力而难以提取量子比特空间关联等重要信息，无法用于量子计算和精密的量子模拟。
该研究中，段路明团队利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模增加离子量子比特数并提高离子阵列稳定性，首次实现512个离子的稳定“囚禁”和冷却，并首次对300个离子实现可单比特分辨的量子态测量。
研究人员进而利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。一方面通过准绝热演化制备阻挫伊辛模型的基态，测量其量子比特空间关联，从而获取离子的集体振动模式信息，并与理论结果对比验证；另一方面对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，并对末态分布进行量子采样，通过粗粒化分析验证其给出非平庸的概率分布，超越经典计算机的直接模拟能力。
该实验系统为进一步研究多体非平衡态量子动力学这一重要难题提供了强大的工具。审稿人称，这是量子模拟领域的“巨大进步”和“值得关注的里程碑”。图灵奖得主、清华大学交叉信息研究院院长姚期智评价该成果“打开了量子计算的高维新纪元”。
相关论文信息：
https://doi.org/10.48550/arxiv.2311.17163