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      量子模擬計算領(lǐng)域獲重要突破

      2024-05-31 10:46 作者:鄧暉 光明日報 責(zé)任編輯:吳靜

      原標(biāo)題:量子模擬計算領(lǐng)域獲重要突破

      從清華大學(xué)獲悉,該校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)國際紀(jì)錄(61離子)往前推進(jìn)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。

      上述成果研究論文于5月30日發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然》,被《自然》審稿人稱為量子模擬領(lǐng)域的“巨大進(jìn)步”“值得關(guān)注的里程碑”。

      離子阱系統(tǒng)被認(rèn)為是最有希望實現(xiàn)大規(guī)模量子模擬和量子計算的物理系統(tǒng)之一。多個實驗驗證了離子量子比特的高精密相干操控,該系統(tǒng)的規(guī)模化被認(rèn)為是主要挑戰(zhàn)。此前研究人員在保羅型離子阱中實現(xiàn)了最多61個離子一維陣列的量子模擬。雖然基于彭寧型離子阱可實現(xiàn)更大規(guī)模約兩百離子的量子模擬,但因缺乏單比特分辨探測能力而難以提取量子比特空間關(guān)聯(lián)等重要信息,無法用于量子計算和精密的量子模擬。

      上述工作中,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。

      研究人員進(jìn)而利用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。據(jù)悉,長程橫場伊辛模型是一類重要的量子多體模型,有助于理解量子信息、凝聚態(tài)物理等領(lǐng)域的基本問題,也可用于求解優(yōu)化問題等現(xiàn)實應(yīng)用。

      一方面,研究人員通過準(zhǔn)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(xué)演化進(jìn)行量子模擬計算,300個離子量子比特同時工作時所能執(zhí)行的計算復(fù)雜度達(dá)到2的300次方,超越經(jīng)典計算機的直接模擬能力。該實驗系統(tǒng)為進(jìn)一步研究多體非平衡態(tài)量子動力學(xué)這一重要難題提供了強大的工具。(記者 鄧暉)

      關(guān)鍵詞:計算復(fù)雜度,量子比特,模擬計算,基態(tài),量子計算

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