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研究背景

量子计算和量子模拟近年来已成为前沿研究领域，其中大规模量子计算和模拟对于解决经典计算机难以处理的复杂问题至关重要。作为主要物理平台之一，离子阱已在量子信息处理中扮演重要角色。

然而，实现大规模量子计算和模拟面临着两个关键挑战：高量子比特容量和单个量子比特读出能力。虽然已经在一维Paul阱和二维Penning阱中分别实现了离子的量子模拟，但将这两个特性集成到单一系统中仍然非常具有挑战性。

传统的Penning阱中，由于离子晶体的快速旋转，导致单个量子比特状态的读取仍然是一个实验性的挑战。尽管已经尝试使用空间和时间分辨成像技术来计数离子数量，但对于量子模拟，可观察量仍然受限于全局。

成果简介

有鉴于此，清华大学段路明教授团队在Nature期刊上发题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的最新论文。本研究报告了成功实现了512个离子的稳定捕获，并对其进行了边带冷却，从而为大规模量子模拟奠定了基础。通过在2D离子晶体中实现量子模拟，研究人员进一步探索了长程量子伊辛模型的量子模拟，并成功观察到了丰富的空间相关模式，从而验证了量子模拟的有效性。

研究亮点

（1）本研究首次在二维Wigner晶体中稳定捕获了512个离子，同时通过边带冷却成功控制了其横向运动，这为大规模量子计算和模拟提供了关键的基础。

（2）通过使用单次测量中的位置分辨技术，研究团队观察到了在准绝热制备的基态中丰富的空间相关模式。这些观察结果不仅验证了量子模拟的结果，还为进一步研究量子动力学提供了重要线索。

（3）利用离子之间的长程伊辛耦合，研究团队成功实现了长程量子伊辛模型的量子模拟，并且可以调节耦合强度和模式。这一成果为探索量子力学的深层次原理提供了新的工具和平台。

（4）通过对多声子模式的耦合和激发，研究团队还成功地探索了在经典计算机上具有挑战性的量子模拟任务，例如同时耦合多个声子模式以获得挫折伊辛耦合，以及探索横向场伊辛模型的急剧变化动力学。

图文导读

图1：实验设置和2D离子晶体。

图2. 准绝热制备的N=300个量子比特基态中的空间相关模式

图3. 受限玻璃模型的量子模拟。

图4：急剧变化动力学和量子取样。

结论展望

本项研究在量子计算和模拟领域具有重要的科学意义。首先，通过稳定捕获超过500个离子的2D晶体，并展示了对300个离子进行单个态检测的量子模拟，作者为构建大规模量子系统奠定了基础。其次，作者利用多种方法实现了对离子之间的长程耦合，从而创造了受挫的伊辛模型哈密顿量。这一创新不仅提供了对量子动力学进行模拟的新途径，还为量子计算机和NISQ算法的应用提供了重要支持。

此外，作者展示了通过工程更复杂的耦合系数来模拟丰富的量子动力学，从而为解决经典计算机无法处理的复杂问题提供了新的思路和方法。最后，作者提出了将2D单独寻址集成到系统中的未来展望，这将为高保真度的两量子比特纠缠门的实现提供重要支持，从而进一步拓展了离子阱量子计算机的规模。

文献信息

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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