研究背景
隨著量子計算和量子模擬技術的迅猛發展，科學家們對于實現大規模量子計算和模擬的需求日益迫切。在這一領域，離子阱作為主要的量子信息處理平臺之一，吸引了廣泛的關注和研究。其中，實現大量量子比特容量和單個讀出能力是兩個至關重要的挑戰。
量子計算和量子模擬的發展使得研究者們可以探索超出經典計算機范疇的復雜計算任務，例如量子退火和變分量子算法等。然而，要將噪聲中等規模量子設備應用于實際和經典無法解決的問題，就需要解決兩個主要挑戰：大量量子比特容量和單個讀出能力。
在離子阱量子計算平臺中，科學家已經實現了一維Paul阱中數十個離子的量子模擬，并且可以進行位置分辨的單個讀出。為了進一步擴展量子比特數量，一個可行的方式是將離子困在二維晶體中。然而，要在二維結構中實現大量離子的穩定捕獲并進行單個讀出仍然是一個具有挑戰性的問題。
為了解決這些挑戰，清華大學段路明教授團隊在“Nature”期刊上發表了題為“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的最新論文。他們通過精密的實驗操作，成功地穩定捕獲了512個離子的2D離子晶體，并實現了單個讀出。隨后，他們利用自旋相關交流斯塔克位移等方法，實現了長程伊辛耦合，并演示了量子模擬的可調耦合模式。通過準絕熱制備基態等技術，他們觀察到了豐富的自旋-自旋空間相關性模式，并成功模擬了經典計算機難以處理的量子動力學問題。
研究亮點
1.本研究成功實現了在2D Wigner晶體中穩定捕獲512個離子，這是對大規模量子計算和模擬的重要突破。這一成就為構建高容量量子系統奠定了基礎，具有重要的實用意義。
2.通過實現單個離子狀態的讀取能力，研究團隊克服了對大規模量子系統進行準確測量的關鍵障礙。這項技術的突破對于量子模擬和量子計算的發展至關重要，為解決實際問題提供了關鍵支持。
3.使用300個離子，研究團隊成功地實現了長程量子伊辛模型的量子模擬。通過調控耦合強度和模式，他們實現了對模型的精確控制，為研究量子相互作用提供了新的工具和途徑。
4.通過單次測量中的位置分辨，研究團隊觀察到了準絕熱制備的基態中豐富的空間相關模式。這一觀測不僅驗證了量子模擬結果，還為研究量子動力學提供了新的實驗數據和理論驗證手段。
5.研究團隊進一步探索了量子取樣任務，通過對伊辛模型的急劇變化動力學進行研究，展示了量子計算在處理復雜問題上的潛力。這一探索為量子計算在實際問題中的應用提供了新的思路和方法。
圖文解讀
圖1：實驗設置和2D離子晶體。
圖2. 準絕熱制備的N=300個量子比特基態中的空間相關模式。
圖3. 受限玻璃模型的量子模擬。
圖 4：急劇變化動力學和量子取樣。
總結展望
本研究首先通過成功實現對超過500個離子的2D晶體的穩定捕獲和對300個離子的單個態檢測，突破了大規模量子計算和模擬的關鍵障礙。其次，通過利用激光功率進行精準控制，并結合優化位置的諧振吸收和雙類型量子比特方案，展示了擴展系統規模到數千個離子的可行性。此外，通過耦合多達兩個聲子模式，創造了一個受挫的伊辛模型哈密頓量，為模擬豐富的量子動力學提供了新途徑。通過工程更復雜的耦合系數，以及將激光的2D單獨尋址集成到系統中，將進一步拓展量子計算和模擬的能力。總體而言，這項研究為實現更高效、更穩定的量子計算機和模擬器提供了重要的科學價值和實驗基礎。
原文詳情：
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
