我國科學(xué)家實現(xiàn)最大規(guī)模離子阱量子模擬計算

　　新華社北京5月30日電（記者魏夢佳）離子阱是通過電磁場將離子限定在有限空間內(nèi)的設(shè)備，被認(rèn)為是有望實現(xiàn)大規(guī)模量子計算的物理系統(tǒng)之一。如何把大量離子穩(wěn)定“囚禁”于離子阱，再通過激光控制，制造量子計算的基本數(shù)據(jù)單元“量子比特”，是項國際性難題。

　　中國科學(xué)院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授團隊30日在國際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)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(xiàn)了目前已知國際最大規(guī)模、具有“單比特分辨率”的多離子量子模擬計算，為實現(xiàn)大規(guī)模量子計算提供了新路徑。

　　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(yōu)勢，但該技術(shù)路徑的瓶頸在于很難同時實現(xiàn)大量離子的穩(wěn)定“囚禁”和準(zhǔn)確操控，在集成走向?qū)嵱没凸こ袒矫嫔写嬖谔魬?zhàn)。如何擴大能準(zhǔn)確操控和測量的量子比特數(shù)量是該研究的焦點問題。

　　清華大學(xué)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(shù)路線實現(xiàn)約200個離子的量子模擬計算，但因無法探測區(qū)分單個離子的狀態(tài)、難以提取相關(guān)重要信息，無法用于精密的量子模擬計算及更大規(guī)模的通用量子計算。

　　“我們利用低溫一體化離子阱等技術(shù)，提升離子穩(wěn)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(shù)，在國際上首次對512個離子實現(xiàn)了穩(wěn)定‘囚禁’和冷卻。”吳宇愷說。此外，團隊還首次實現(xiàn)300個離子“單比特分辨”的量子態(tài)測量，“可區(qū)分每個離子的狀態(tài)并提取其信息”――這是量子計算的基礎(chǔ)條件。

　　量子模擬計算可模擬量子系統(tǒng)的運動與演化過程，是實現(xiàn)通用量子計算前量子計算機主要的應(yīng)用形式。“這項工作為研究復(fù)雜量子系統(tǒng)等基礎(chǔ)科學(xué)問題提供了強大工具，未來有望應(yīng)用于材料和藥物研發(fā)、工程優(yōu)化、人工智能等多領(lǐng)域。”段路明說。