清華新成果打開量子計算高維新紀元

近日，中國科學院院士、清華大學教授段路明研究組在量子模擬計算領域取得重要突破，首次實現512離子二維陣列的穩定囚禁冷卻以及300離子量子比特的量子模擬計算。

該工作實現了國際上最大規模具有單比特分辨率的多離子量子模擬計算，將原來的離子量子比特數國際記錄（61離子）往前推進了一大步，并首次實現基于二維離子陣列的大規模量子模擬。

該成果研究論文近日發表于《自然》雜志，并被審稿人稱為量子模擬領域的“巨大進步”“值得關注的里程碑”。圖靈獎得主、清華大學交叉信息研究院院長姚期智評價該成果“是巨大的成就，它打開了量子計算的高維新紀元”。

據介紹，離子阱系統被認為是最有希望實現大規模量子模擬和量子計算的物理系統之一。多個實驗驗證了離子量子比特的高精密相干操控，該系統的規模化被認為是主要挑戰。此前研究人員在保羅型離子阱（Paul Trap）中實現了最多61個離子一維陣列的量子模擬。雖然基于彭寧型離子阱（Penning Trap）可實現更大規模約兩百離子的量子模擬，但因缺乏單比特分辨探測能力而難以提取量子比特空間關聯等重要信息，無法用于量子計算和精密的量子模擬。

本工作中，段路明團隊利用低溫一體化離子阱技術和二維離子陣列方案，大規模擴展離子量子比特數并提高離子陣列穩定性，首次實現512離子的穩定囚禁和邊帶冷卻，并首次對300離子實現可單比特分辨的量子態測量。

典型300離子長程橫場伊辛模型量子模擬計算結果   清華大學供圖

研究人員進而利用300個離子量子比特實現可調耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計算。一方面通過準絕熱演化制備阻挫伊辛模型的基態，測量其量子比特空間關聯，從而獲取離子的集體振動模式信息，并與理論結果對比驗證；另一方面對該模型的動力學演化進行量子模擬計算，并對末態分布進行量子采樣，通過粗粒化分析驗證其給出非平庸的概率分布，超越經典計算機的直接模擬能力。該實驗系統為進一步研究多體非平衡態量子動力學這一重要難題提供了強大的工具。

該論文第一作者為清華大學交叉信息研究院2020級博士生郭世安，通訊作者為段路明。該研究得到了科技創新2030 —“量子通信與量子計算機”重大項目（2021ZD0301601,2021ZD0301605）、新基石研究員項目、清華大學自主科研計劃、教育部、清華大學篤實專項和啟動經費的資助與支持。 

相關論文鏈接：https://doi.org/10.48550/arXiv.2311.17163