离子阱是国科规模通过电磁场将离子限定在有限空间内的设备，被认为是实现算有望实现大规模量子计算的物理系统之一。如何把大量离子稳定“囚禁”于离子阱，离阱量模再通过激光控制，拟计制造量子计算的国科规模基本数据单元“量子比特”，是实现算项国际性难题。

中国科学院院士、离阱量模清华大学交叉信息研究院段路明教授团队30日在国际学术期刊《自然》上发表一项量子模拟计算方面的拟计突破性成果。该团队首次利用二维离子阵列实现了目前已知国际最大规模、国科规模具有“单比特分辨率”的实现算多离子量子模拟计算，为实现大规模量子计算提供了新路径。离阱量模

以离子阱制造量子比特具有长相干时间和高操控精度的拟计优势，但该技术路径的国科规模瓶颈在于很难同时实现大量离子的稳定“囚禁”和准确操控，在集成走向实用化和工程化方面尚存在挑战。实现算如何扩大能准确操控和测量的离阱量模量子比特数量是该研究的焦点问题。

清华大学交叉信息研究院助理教授吴宇恺说，此前国际上曾基于不同技术路线实现约200个离子的量子模拟计算，但因无法探测区分单个离子的状态、难以提取相关重要信息，无法用于精密的量子模拟计算及更大规模的通用量子计算。

“我们利用低温一体化离子阱等技术，提升离子稳定性，并利用平面状的二维离子阵列方案大幅增加离子量子比特数，在国际上首次对512个离子实现了稳定‘囚禁’和冷却。”吴宇恺说。此外，团队还首次实现300个离子“单比特分辨”的量子态测量，“可区分每个离子的状态并提取其信息”——这是量子计算的基础条件。

量子模拟计算可模拟量子系统的运动与演化过程，是实现通用量子计算前量子计算机主要的应用形式。“这项工作为研究复杂量子系统等基础科学问题提供了强大工具，未来有望应用于材料和药物研发、工程优化、人工智能等多领域。”段路明说。

作者：魏梦佳