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科研成果速覽
段路明院士（右一）指導(dǎo)學(xué)生實(shí)驗(yàn)
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，將原來的離子量子比特?cái)?shù)國際紀(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 Two-Dimensional Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions 近日發(fā)表于國際權(quán)威學(xué)術(shù)期刊 Nature（《自然》），并被《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”（“The quantum simulation results are a dramatic advance over 1D geometries where the largest ion number was 61”；“This work is, to my knowledge, the largest quantum simulation or computation performed to date in a trapped ion system. This is a milestone to be recognized” ）。交叉信息院院長姚期智院士贊嘆，這項(xiàng)工作是巨大的成就，它打開了量子計(jì)算的高維新紀(jì)元！
科研成果概要
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(guān)聯(lián)等重要信息，無法用于量子計(jì)算和精密的量子模擬。
圖1 實(shí)驗(yàn)獲得512離子二維陣列圖像與典型300離子單點(diǎn)分辨測量結(jié)果
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)測量。
圖2 典型300離子長程橫場伊辛模型量子模擬計(jì)算結(jié)果
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。一方面，研究人員通過準(zhǔn)絕熱演化制備阻挫伊辛模型的基態(tài)，測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。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0
論文作者
段路明研究組合影
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。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吳宇愷，博士生葉京、張霖、王也、嚴(yán)若宇、易雨瑾、許煜麟、侯云瀚，博士后許鈺梓、張弛，助理研究員祁賓祥，副研究員周子超、何麗，以及華翊量子公司成員連文倩、姚睿、李博文、郭偉軒。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（2021ZD0301601,2021ZD0301605）、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)專項(xiàng)和啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)的資助與支持。
校友簡介：
段路明，男，博士，中國科學(xué)院院士。1972年8月出生于安徽桐城市 ，物理科學(xué)家，中國科學(xué)院量子信息重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室副主任，清華大學(xué)基礎(chǔ)科學(xué)講席教授、姚期智講座教授、博士生導(dǎo)師。段路明1990年從安徽省桐城中學(xué)畢業(yè)；先后于1994年、1996年、1998年在中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)分別獲學(xué)士、碩士、博士學(xué)位。段路明自1994年讀研階段開始便一直從事量子信息領(lǐng)域的研究，是該方向的世界領(lǐng)軍科學(xué)家之一。段路明等提出的DLCZ（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）量子中繼方案和Duan-Kimble光量子計(jì)算方案，為實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展量子通信和量子計(jì)算奠定了基礎(chǔ)。他提出的通過網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)進(jìn)行規(guī)?；x子量子計(jì)算的方案，成為領(lǐng)域內(nèi)的一個(gè)主流方向，并受邀在權(quán)威期刊《現(xiàn)代物理評(píng)論》撰寫此方向的綜述。段路明等提出的量子糾纏判據(jù)，被國際同行稱為DGCZ（Duan-Giedke-Cirac-Zoller）判據(jù)，在量子信息領(lǐng)域大量應(yīng)用并被美國院士專家編入量子專著。
（轉(zhuǎn)載自：https://mp.weixin.qq.com/s/sLXWYZEayXPdjhW-uwqV4A）
