離子阱是通過電磁場將離子限定在有限空間內的設備，被認為是有望實現大規模量子計算的物理系統之一。如何把大量離子穩定“囚禁”于離子阱，再通過激光控制，制造量子計算的基本數據單元“量子比特”，是項國際性難題。
中國科學院院士、清華大學交叉信息研究院段路明教授團隊5月30日在國際學術期刊《自然》上發表一項量子模擬計算方面的突破性成果。該團隊首次利用二維離子陣列實現了目前已知國際最大規模、具有“單比特分辨率”的多離子量子模擬計算，為實現大規模量子計算提供了新路徑。
圖為段路明教授（右一）在指導學生。（清華大學供圖）
以離子阱制造量子比特具有長相干時間和高操控精度的優勢，但該技術路徑的瓶頸在于很難同時實現大量離子的穩定“囚禁”和準確操控，在集成走向實用化和工程化方面尚存在挑戰。如何擴大能準確操控和測量的量子比特數量是該研究的焦點問題。
清華大學交叉信息研究院助理教授吳宇愷說，此前國際上曾基于不同技術路線實現約200個離子的量子模擬計算，但因無法探測區分單個離子的狀態、難以提取相關重要信息，無法用于精密的量子模擬計算及更大規模的通用量子計算。
“我們利用低溫一體化離子阱等技術，提升離子穩定性，并利用平面狀的二維離子陣列方案大幅增加離子量子比特數，在國際上首次對512個離子實現了穩定‘囚禁’和冷卻?！眳怯類鹫f。此外，團隊還首次實現300個離子“單比特分辨”的量子態測量，“可區分每個離子的狀態并提取其信息”——這是量子計算的基礎條件。
圖為實驗獲得的300離子單點分辨測量結果。（清華大學供圖）
量子模擬計算可模擬量子系統的運動與演化過程，是實現通用量子計算前量子計算機主要的應用形式?！斑@項工作為研究復雜量子系統等基礎科學問題提供了強大工具，未來有望應用于材料和藥物研發、工程優化、人工智能等多領域?！倍温访髡f。（魏夢佳）
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