從清華大學(xué)獲悉，中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院教授段路明帶領(lǐng)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，該成果研究論文《具有單比特分辨率的數(shù)百囚禁離子二維量子模擬器》，于5月30日在《自然》官網(wǎng)在線發(fā)表，被《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”。

段路明院士（右一）指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)。清華大學(xué) 供圖

研究團(tuán)隊(duì)介紹，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)。

清華段路明研究組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)，提高離子陣列穩(wěn)定性，首次實(shí)現(xiàn)512離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，并首次對300離子實(shí)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(gè)離子量子比特實(shí)現(xiàn)可調(diào)耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計(jì)算。長程橫場伊辛模型，是一類重要的量子多體模型，有助于理解量子信息、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的基本問題，也可用于求解優(yōu)化問題等現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。

該工作實(shí)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(jì)算，將該研究組保持的離子量子比特?cái)?shù)國際記錄（61離子），往前推進(jìn)了一大步，首次實(shí)現(xiàn)基于二維離子陣列的大規(guī)模量子模擬。

研究人員還對該模型的動(dòng)力學(xué)演化進(jìn)行量子模擬計(jì)算，300個(gè)離子量子比特同時(shí)工作時(shí)，所能執(zhí)行的計(jì)算復(fù)雜度達(dá)到2的300次方，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。