清华大学交叉信息研究院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离子）往前推进了一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。

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，该系统的规模化被认为是主要挑战。此前研究人员在Paul Trap（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Penning Trap（彭宁型离子阱）可实现更大规模约两百离子的量子模拟，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。

图1. 实验获得512离子二维阵列图像与典型300离子单点分辨测量结果

研究中，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。

图2.典型300离子长程横场伊辛模型量子模拟计算结果

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，研究人员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，研究人员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。

图3.研究组成员合影

5月29日，相关研究成果以“一个具有数百个被困离子的位置分辨二维量子模拟器”（A Site-Resolved Two-Dimensional Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions）为题，发表于《自然》（Nature）杂志。《自然》审稿人称为量子模拟领域的 “巨大进步”，“值得关注的里程碑”。

清华大学交叉信息研究院2020级博士生郭世安为论文第一作者，交叉信息研究院教授段路明为论文通讯作者。其他作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺，博士生叶京、张霖、王也、严若宇、易雨瑾、许煜麟、侯云瀚，博士后许钰梓、张弛，助理研究员祁宾祥，副研究员周子超、何丽，以及华翊量子公司连文倩、姚睿、李博文、郭伟轩。研究得到科技创新2030—“量子通信与量子计算机”重大项目、新基石研究员项目、清华大学自主科研计划、教育部、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。