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研究背景

量子計(jì)算和量子模擬近年來已成為前沿研究領(lǐng)域，其中大規(guī)模量子計(jì)算和模擬對(duì)于解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)難以處理的復(fù)雜問題至關(guān)重要。作為主要物理平臺(tái)之一，離子阱已在量子信息處理中扮演重要角色。

然而，實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算和模擬面臨著兩個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：高量子比特容量和單個(gè)量子比特讀出能力。雖然已經(jīng)在一維Paul阱和二維Penning阱中分別實(shí)現(xiàn)了離子的量子模擬，但將這兩個(gè)特性集成到單一系統(tǒng)中仍然非常具有挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)的Penning阱中，由于離子晶體的快速旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致單個(gè)量子比特狀態(tài)的讀取仍然是一個(gè)實(shí)驗(yàn)性的挑戰(zhàn)。盡管已經(jīng)嘗試使用空間和時(shí)間分辨成像技術(shù)來計(jì)數(shù)離子數(shù)量，但對(duì)于量子模擬，可觀察量仍然受限于全局。

成果簡介

有鑒于此，清華大學(xué)段路明教授團(tuán)隊(duì)在Nature期刊上發(fā)題為“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的最新論文。本研究報(bào)告了成功實(shí)現(xiàn)了512個(gè)離子的穩(wěn)定捕獲，并對(duì)其進(jìn)行了邊帶冷卻，從而為大規(guī)模量子模擬奠定了基礎(chǔ)。通過在2D離子晶體中實(shí)現(xiàn)量子模擬，研究人員進(jìn)一步探索了長程量子伊辛模型的量子模擬，并成功觀察到了豐富的空間相關(guān)模式，從而驗(yàn)證了量子模擬的有效性。

研究亮點(diǎn)

（1）本研究首次在二維Wigner晶體中穩(wěn)定捕獲了512個(gè)離子，同時(shí)通過邊帶冷卻成功控制了其橫向運(yùn)動(dòng)，這為大規(guī)模量子計(jì)算和模擬提供了關(guān)鍵的基礎(chǔ)。

（2）通過使用單次測(cè)量中的位置分辨技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)觀察到了在準(zhǔn)絕熱制備的基態(tài)中豐富的空間相關(guān)模式。這些觀察結(jié)果不僅驗(yàn)證了量子模擬的結(jié)果，還為進(jìn)一步研究量子動(dòng)力學(xué)提供了重要線索。

（3）利用離子之間的長程伊辛耦合，研究團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)了長程量子伊辛模型的量子模擬，并且可以調(diào)節(jié)耦合強(qiáng)度和模式。這一成果為探索量子力學(xué)的深層次原理提供了新的工具和平臺(tái)。

（4）通過對(duì)多聲子模式的耦合和激發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)還成功地探索了在經(jīng)典計(jì)算機(jī)上具有挑戰(zhàn)性的量子模擬任務(wù)，例如同時(shí)耦合多個(gè)聲子模式以獲得挫折伊辛耦合，以及探索橫向場(chǎng)伊辛模型的急劇變化動(dòng)力學(xué)。

圖文導(dǎo)讀

圖1：實(shí)驗(yàn)設(shè)置和2D離子晶體。

圖2. 準(zhǔn)絕熱制備的N=300個(gè)量子比特基態(tài)中的空間相關(guān)模式

圖3. 受限玻璃模型的量子模擬。

圖4：急劇變化動(dòng)力學(xué)和量子取樣。

結(jié)論展望

本項(xiàng)研究在量子計(jì)算和模擬領(lǐng)域具有重要的科學(xué)意義。首先，通過穩(wěn)定捕獲超過500個(gè)離子的2D晶體，并展示了對(duì)300個(gè)離子進(jìn)行單個(gè)態(tài)檢測(cè)的量子模擬，作者為構(gòu)建大規(guī)模量子系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ)。其次，作者利用多種方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子之間的長程耦合，從而創(chuàng)造了受挫的伊辛模型哈密頓量。這一創(chuàng)新不僅提供了對(duì)量子動(dòng)力學(xué)進(jìn)行模擬的新途徑，還為量子計(jì)算機(jī)和NISQ算法的應(yīng)用提供了重要支持。

此外，作者展示了通過工程更復(fù)雜的耦合系數(shù)來模擬豐富的量子動(dòng)力學(xué)，從而為解決經(jīng)典計(jì)算機(jī)無法處理的復(fù)雜問題提供了新的思路和方法。最后，作者提出了將2D單獨(dú)尋址集成到系統(tǒng)中的未來展望，這將為高保真度的兩量子比特糾纏門的實(shí)現(xiàn)提供重要支持，從而進(jìn)一步拓展了離子阱量子計(jì)算機(jī)的規(guī)模。

文獻(xiàn)信息

Guo, SA., Wu, YK., Ye, J. et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07459-0

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