清华团队首次实现基于数百离子量子比特的量子模拟计算

记者30日从清华大学获悉，该校段路明研究组近日在量子模拟计算领域取得重要突破，首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却，以及300离子量子比特的量子模拟计算。该工作实现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离子）往前推进一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。该成果论文发表在最新一期的国际权威学术期刊《自然》上。

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。多个实验验证离子量子比特的高精密相干操控，该系统的规模化被认为是主要挑战。

此项工作中，研究人员利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模扩展离子量子比特数并提高离子阵列稳定性，首次实现512离子的稳定囚禁和边带冷却，并首次对300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工具。