中國科學院院士、清華大學交叉資訊研究院教授段路明帶領研究小組首次實現基於數百離子量子位元的量子模擬計算，該成果研究論文《具有單比特分辨率的數百囚禁離子二維量子模擬器》，於5月30日在《自然》官網線上發表，被《自然》審查者稱為「量子模擬領域的巨大進步」「值得關注的里程碑」。

段路明院士（右一）指導學生實驗。清華大學供圖

研究團隊介紹，離子阱系統被認為是最有希望實現大規模量子模擬和量子計算的物理系統之一，多個實驗驗證了離子量子位元的高精密相干操控，該系統的規模化被認為是主要挑戰。

清華段路明研究小組利用低溫一體化離子阱技術與二維離子陣列方案，大規模擴展離子量子位元數，提高離子陣列穩定性，首次實現512離子二維陣列的穩定囚禁和邊帶冷卻，並首次對300離子實現可單一位元分辨的量子態測量。

研究人員進而利用300個離子量子位元實現可調耦合的長程橫場伊辛模型的量子模擬計算。長程橫場伊辛模型，是一類重要的量子多體模型，有助於理解量子資訊、凝聚態物理等領域的基本問題，也可用於求解最佳化問題等現實應用。

該工作實現了國際上最大規模具有單位元解析度的多離子量子模擬計算，將該研究組保持的離子量子位元數國際記錄（61離子），往前推進了一大步，首次實現基於二維離子陣列的大規模量子模擬。

研究人員也對此模型的動力學演化進行量子模擬計算，300個離子量子位元同時運作時，所能執行的計算複雜度達到2的300次方，超越經典電腦的直接模擬能力。此實驗系統為進一步研究多體非平衡態量子動力學這一重要難題提供了強大的工具。