離子阱是通過電磁場(chǎng)將離子限定在有限空間內(nèi)的設(shè)備，被認(rèn)為是有望實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)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(jì)算的基本數(shù)據(jù)單元“量子比特”，是項(xiàng)國(guó)際性難題。
中國(guó)科學(xué)院院士、清華大學(xué)交叉信息研究院段路明教授團(tuán)隊(duì)5月30日在國(guó)際學(xué)術(shù)期刊《自然》上發(fā)表一項(xiàng)量子模擬計(jì)算方面的突破性成果。該團(tuán)隊(duì)首次利用二維離子陣列實(shí)現(xiàn)了目前已知國(guó)際最大規(guī)模、具有“單比特分辨率”的多離子量子模擬計(jì)算，為實(shí)現(xiàn)大規(guī)模量子計(jì)算提供了新路徑。
圖為段路明教授（右一）在指導(dǎo)學(xué)生。（清華大學(xué)供圖）
以離子阱制造量子比特具有長(zhǎng)相干時(shí)間和高操控精度的優(yōu)勢(shì)，但該技術(shù)路徑的瓶頸在于很難同時(shí)實(shí)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(kuò)大能準(zhǔn)確操控和測(cè)量的量子比特?cái)?shù)量是該研究的焦點(diǎn)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(guó)際上曾基于不同技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)約200個(gè)離子的量子模擬計(jì)算，但因無法探測(cè)區(qū)分單個(gè)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(jì)算及更大規(guī)模的通用量子計(jì)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?cái)?shù)，在國(guó)際上首次對(duì)512個(gè)離子實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定‘囚禁’和冷卻?！眳怯類鹫f。此外，團(tuán)隊(duì)還首次實(shí)現(xiàn)300個(gè)離子“單比特分辨”的量子態(tài)測(cè)量，“可區(qū)分每個(gè)離子的狀態(tài)并提取其信息”——這是量子計(jì)算的基礎(chǔ)條件。
圖為實(shí)驗(yàn)獲得的300離子單點(diǎn)分辨測(cè)量結(jié)果。（清華大學(xué)供圖）
量子模擬計(jì)算可模擬量子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)與演化過程，是實(shí)現(xiàn)通用量子計(jì)算前量子計(jì)算機(jī)主要的應(yīng)用形式。“這項(xiàng)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(qiáng)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?！倍温访髡f。（魏夢(mèng)佳）
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