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我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)最大規(guī)模離子阱量子模擬計(jì)算
2024年05月31日 09時(shí)39分   新華網(wǎng)

離子阱是通過(guò)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(guò)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(wèn)題。

清華大學(xué)交叉信息研究院助理教授吳宇?lèi)鹫f(shuō),此前國(guó)際上曾基于不同技術(shù)路線(xiàn)實(shí)現(xiàn)約200個(gè)離子的量子模擬計(jì)算,但因無(wú)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(wú)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。”吳宇?lèi)鹫f(shuō)。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(guò)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?!斑@項(xiàng)工作為研究復(fù)雜量子系統(tǒng)等基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題提供了強(qiáng)大工具,未來(lái)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(shuō)。(魏夢(mèng)佳)

(責(zé)任編輯:蔡文斌)

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