量子模擬是量子計算機最重要的應用之一，指的是用量子計算機去模擬一個用其他實驗方法難以直接研究的復雜量子系統(tǒng)。
清華大學段路明研究組近日在量子模擬計算領(lǐng)域取得重要突破，首次實現(xiàn)512離子二維陣列的穩(wěn)定囚禁冷卻以及300離子量子比特的量子模擬計算。該工作實現(xiàn)了國際上最大規(guī)模具有單比特分辨率的多離子量子模擬計算，將原來的離子量子比特數(shù)國際記錄(61離子)往前推進了一大步，并首次實現(xiàn)基于二維離子陣列的大規(guī)模量子模擬。
此前研究人員能夠?qū)崿F(xiàn)的離子量子比特數(shù)是61個離子，而且是一維陣列的量子模擬，段路明團隊研究人員利用低溫一體化離子阱技術(shù)和二維離子陣列方案，大規(guī)模擴展離子量子比特數(shù)并提高離子陣列穩(wěn)定性，首次實現(xiàn)512離子的穩(wěn)定囚禁和邊帶冷卻，并首次對300離子實現(xiàn)可單比特分辨的量子態(tài)測量。
在這項研究中，研究人員利用300個離子量子比特實現(xiàn)可調(diào)耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計算。
一方面，研究人員通過準絕熱演化制備阻挫伊辛模型的基態(tài)，測量其量子比特空間關(guān)聯(lián)，從而獲取離子的集體振動模式信息，并與理論結(jié)果對比驗證；
另一方面，研究人員對該模型的動力學演化進行量子模擬計算，并對末態(tài)分布進行量子采樣，通過粗?；治鲵炞C其給出非平庸的概率分布，超越經(jīng)典計算機的直接模擬能力。該實驗系統(tǒng)為進一步研究多體非平衡態(tài)量子動力學這一重要難題提供了強大的工具。
(總臺央視記者 潘虹旭 代欽夫)