離子阱是通過電磁場將離子限定在有限空間內的設備,被認為是有望實現大規模量子計算的物理系統之一。如何把大量離子穩定“囚禁”於離子阱,再通過激光控制,製造量子計算的基本數據單元“量子比特”,是項國際性難題。
中國科學院院士、清華大學交叉信息研究院段路明教授團隊5月30日在國際學術期刊《自然》上發表一項量子模擬計算方面的突破性成果。該團隊首次利用二維離子陣列實現了目前已知國際最大規模、具有“單比特分辨率”的多離子量子模擬計算,為實現大規模量子計算提供了新路徑。
圖為段路明教授(右一)在指導學生(清華大學供圖)以離子阱製造量子比特具有長相干時間和高操控精度的優勢,但該技術路徑的瓶頸在於很難同時實現大量離子的穩定“囚禁”和準確操控,在集成走向實用化和工程化方面尚存在挑戰。如何擴大能準確操控和測量的量子比特數量是該研究的焦點問題。
清華大學交叉信息研究院助理教授吳宇愷說,此前國際上曾基於不同技術路線實現約200個離子的量子模擬計算,但因無法探測區分單個離子的狀態、難以提取相關重要信息,無法用於精密的量子模擬計算及更大規模的通用量子計算。
“我們利用低溫一體化離子阱等技術,提升離子穩定性,並利用平面狀的二維離子陣列方案大幅增加離子量子比特數,在國際上首次對512個離子實現了穩定‘囚禁’和冷卻。”吳宇愷說。此外,團隊還首次實現300個離子“單比特分辨”的量子態測量,“可區分每個離子的狀態並提取其信息”——這是量子計算的基礎條件。
圖為實驗獲得的300離子單點分辨測量結果(清華大學供圖)量子模擬計算可模擬量子系統的運動與演化過程,是實現通用量子計算前量子計算機主要的應用形式。“這項工作為研究複雜量子系統等基礎科學問題提供了強大工具,未來有望應用於材料和藥物研發、工程優化、人工智能等多領域。”段路明說。
來源:新華社
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