近日，清华大学段路明研究组在量子模拟领域取得突破，成功实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却，以及300离子量子比特的量子模拟计算。研究成果发表于Nature，被审稿人评价为"值得关注的里程碑"。

来源 | 光子盒研究院

2024年5月30日，清华大学最新科研成果发表于Nature（自然），这项成果被Nature审稿人称为“量子模拟领域的巨大进步”，“值得关注的里程碑”！究竟是什么样的成果值得这样的赞誉呢？

该成果就是中国科学院院士、清华大学交叉信息研究院教授段路明带领研究组在量子模拟计算领域取得的重要突破：首次实现512离子二维阵列的稳定囚禁冷却，以及300离子量子比特的量子模拟计算。该成果实现了国际上最大规模具有单比特分辨率的多离子量子模拟计算，将原来该研究组保持的离子量子比特数国际记录（61离子）往前推进了一大步，并首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。相关成果论文以“A Site-resolved Two-Dimensional Quantum Simulator with Hundreds of Trapped Ions” 为题发表于Nature。

01

离子阱系统规模化的挑战与目前研究进展

离子阱系统被认为是最有希望实现大规模量子模拟和量子计算的物理系统之一，多个实验验证了离子量子比特的高精密相干操控，该系统的规模化被认为是主要挑战。此前，段路明团队在Paul Trap（保罗型离子阱）中实现了最多61个离子一维阵列的量子模拟。虽然基于Penning Trap（彭宁型离子阱），可以实现更大规模约两百离子的量子模拟，但由于缺乏单比特分辨探测能力，量子比特空间关联等重要信息难以提取，无法用于量子计算和精密的量子模拟。

实验获得512离子二维阵列图像与典型300离子单点分辨测量结果丨图片来源：Nature

为了优化离子阱系统，各国团队做出了很大的努力，其最新的进展如下：

2024年2月14日，Mohsin Iqbal、Nathanan Tantivasadakarn、Ruben Verresen发表题为Non-Abelian topological order and anyons on a trapped-ion processor的论文，在Quantinuum的H2离子阱量子处理器中实现并控制一种称为非阿贝尔拓扑序的物态。

非阿贝尔拓扑序是珍贵物态，其准粒子能记住交换顺序，适合构建容错量子计算机。但这种物态和其激发不易观察，与阿贝尔序不同。研究者在Quantinuum H2量子处理器上用自适应电路实现了非阿贝尔拓扑序，控制了任意子。在27量子比特的晶格上，创造了高保真度的D4基态波函数，通过任意子干涉测量揭示了非阿贝尔编织过程。非阿贝尔激发子的隧穿还产生了22个基态和一个特殊激发态，展示了其独特性。这项研究使非阿贝尔激发子的特性得以在量子设备中研究。

2024年3月13日，瑞士苏黎世联邦理工学院量子中心在Nature发表题为Penning micro-trap for quantum computing的论文。射频阱离子是构建量子计算机的有效方法，但射频应用在规模化中存在挑战。论文研究者们开发了一种新型微型彭宁离子阱，利用特斯拉磁场代替射频，解决了这些挑战。该技术实现了离子的全面量子控制和灵活传输，为改进量子计算架构、实现大规模量子计算和传感提供了新途径。

2024年4月16日， Quantinuum通过在其商用量子计算机中实现历史性和备受推崇的“3个9”两量子比特门保真度，并宣布其量子体积已超过一百万——比其最接近的竞争对手高出指数级。

量子纠错的成功依赖于高保真度的物理硬件。Quantinuum公司已实现商用量子计算机中“3个9”（99.9%）两量子比特门保真度，超越了以往实验室演示，展示了H1-1系统上所有量子比特对的可重复性能。此外，Quantinuum宣布达到七位数量子体积（QV），即1,048,576，显著领先于世界最高性能量子计算机的建造承诺。

02

段路明研究组：实现最大规模具有单比特分辨率多离子量子模拟计算

本论文中，段路明团队研究人员利用低温一体化离子阱技术和二维离子阵列方案，大规模扩展离子量子比特数并提高离子阵列稳定性，首次实现512离子的稳定囚禁和边带冷却，并首次对300离子实现可单比特分辨的量子态测量。

具体来讲，研究团队开发了一种低温一体化离子阱技术。这种技术通过在低温（6.1 K）条件下运行，有效降低了离子与背景气体分子的碰撞率，从而显著提高了离子晶体的稳定性。低温环境对于维持离子晶体的长期稳定至关重要，因为它减少了由于热能引起的离子运动，这可能导致离子晶体结构的破坏。

其次，研究人员采用了二维离子阵列方案。通过精确控制电场，他们能够在二维平面内形成并维持一个大规模的离子阵列。这种方案不仅允许对离子进行精确的操控，而且通过增加离子间的距离，降低了它们之间的相互干扰，从而提高了整个系统的稳定性和可扩展性。

利用这些技术，段路明团队首次实现了512个离子的稳定囚禁和边带冷却。这是一个巨大的技术挑战，因为在如此大规模的系统中，保持每个离子的量子状态不受环境干扰是非常困难的。然而，通过精心设计的实验方案和精确的控制技术，研究团队成功地克服了这些难题。

更进一步，研究团队还首次对300个离子实现了可单比特分辨的量子态测量。这意味着他们能够单独读取和识别每个离子的量子状态，而不仅仅是整个离子阵列的集体状态。这种单比特分辨能力对于执行复杂的量子算法和精确模拟量子系统至关重要。

研究人员利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场Ising模型的量子模拟计算。在量子模拟方面，研究者们通过精确控制激光参数，实现了对量子比特之间相互作用强度和模式的调控。这种调控能力是实现复杂量子模拟的关键，因为它允许研究者们模拟不同的物理系统，并执行特定的量子算法。通过调整激光，研究者们能够在量子比特之间建立起长程的相互作用，这在传统的局部相互作用模型中是难以实现的。

 
 阻挫Ising模型的量子模拟丨图片来源：Nature

此外，段路明团队还采用了准绝热演化的方法，将系统有效地准备在Ising模型的基态。这种方法通过缓慢地改变系统的参数，使得系统能够跟随其基态演化，从而减少了非绝热激发，提高了模拟的精度。在达到基态后，段院士团队利用单次测量的现场分辨率技术，精确地测量了每个量子比特的状态，这为验证量子模拟的结果提供了直接的实验数据。

通过这种量子模拟，段路明团队能够探索量子相变和量子纠缠等复杂现象，并研究它们的形成机制和特性。这对于理解量子物质的性质和开发新型量子材料具有重要意义。同时，这种量子模拟技术也为解决优化问题和搜索问题等提供了新的途径，展示了量子计算在处理复杂计算任务上的巨大潜力。

在段路明团队的这项开创性研究中，对空间相关性的观察为量子模拟的准确性提供了强有力的证据。通过细致的实验设计和精确的测量技术，研究人员观察到了离子在空间上排列的丰富相关模式。这些模式不仅揭示了量子系统在不同空间位置离子间的相互作用和纠缠，而且对于验证量子模拟结果的准确性至关重要。实验中，通过单次测量的现场分辨率技术，研究者能够精确捕捉到这些空间相关性，从而确保了模拟结果的可靠性。

此外，段路明团队还成功探测了横向场中Ising模型的淬灭动力学，这在量子采样任务中具有里程碑意义。通过快速改变系统参数，研究者们能够模拟系统的非平衡态，并从最终的量子态中抽取样本。这种量子采样技术不仅展示了从量子系统概率分布中获取有用信息的能力，而且为解决优化问题和搜索问题提供了新的途径。

这项研究还为使用二维离子阱量子模拟器运行NISQ算法铺平了道路。NISQ算法是一类适用于中等规模量子系统的算法，它们在量子计算领域具有广泛的应用前景。离子阱量子模拟器因其高保真度的量子态操作和测量能力，被认为是实现NISQ算法的理想平台之一。这项研究的成功，为未来在量子计算领域解决更复杂问题提供了可能。

 
淬灭动力学和量子采样丨图片来源：Nature

最后，研究者们还讨论了量子动力学的模拟，以及如何通过量子采样来验证实验结果。通过测量量子系统的不同参数，人们能够验证理论模型和模拟结果的正确性。这种验证过程不仅有助于理解量子系统的内在行为，而且为改进量子模拟器的设计和操作提供了宝贵反馈。

03

实验中的激光器：对离子阱系统的精细操控至关重要

值得注意的是，激光器对于离子阱系统的精细操控来说至关重要。论文作者选择的是411nm的激光器。选择特定波长的激光器来控制原子或离子，主要是因为激光的波长需要与目标原子或离子的能级跃迁相匹配。每种元素的原子或离子都有其独特的光谱线，这些光谱线对应于其电子在不同能级之间跃迁时吸收或发射的光的特定波长。例如镱原子的1S0到1P1跃迁对应的是399nm的波长。这个波长附近的光可以用来冷却和操控镱原子，因为它与镱原子的一个主要的电子跃迁相匹配。镱离子的能级结构与中性镱原子不同，因为失去了一个电子，其内部的电子排布发生了变化，导致能级跃迁的波长也不同。因此选用411nm激光器用来操控镱离子与镱离子的特定能级跃迁相匹配，从而达到精确控制单个量子态的目的。 

同种离子间无串扰的双重量子比特编码首次实现丨图片来源：Nature Physics

除本项工作外，在段路明院士过去参与发布的多项重要成果中，其实都有411nm激光器的身影。2022年8月，段路明团队利用同种离子的两对超精细结构能级分别编码了这两种类型的量子比特（S-qubit和F-qubit），利用411nm和3432nm的双色窄线宽激光实现了两种量子比特之间保真度99.5%的微秒量级相干转换，并演示了对其中一种量子比特进行初态制备、测量、单比特逻辑门、激光冷却等操作时，另一种量子比特的串扰错误率小于0.06%，低于容错量子计算约1%的错误率阈值。

2024年1月，团队同样利用411nm和3432nm的双色窄线宽激光实现了两种量子比特之间微秒量级的相干转换。一方面，研究人员演示了利用通信比特在数百毫秒的时间尺度内生成离子-光子纠缠；另一方面，通过自旋回波方法延长存储比特的存储寿命，实现相干时间达到秒量级的存储量子比特。通过比较有无离子-光子纠缠生成操作时存储比特的保真度变化，研究人员证实了两种量子比特之间低于实验精度的串扰误差，从而实现了无串扰的量子网络节点。

 
利用相同离子种类的双型量子比特实现避开串扰的量子网络节点丨图片来源：Nature Communication

关键的是，段路明团队目前现有的411nm激光器并不能完全展示所有可进行伊辛耦合离子的数量，也就是说，受限于当前激光器的功率，对300个离子单比特分辨的量子态的精确测控并非理论上的极限，而是实验室现有激光器的极限。

为了进一步将系统规模扩大到数千个离子，该团队未来还会对一些离子进行共振冷却，并优化其位置以保持其稳定性，同时使用双型量子比特方案来避免携带量子信息的离子出现串扰误差。通过在411nm激光中加入更多频率分量；或应用交流斯塔克偏移的空间梯度，团队将有可能设计出更复杂的耦合系数，从而模拟经典计算机难以解决的丰富量子动力学，并执行量子退火和变异量子优化等NISQ算法。未来，通过将二维激光寻址集成到系统中，团队的二维离子晶体还可能支持由横向声子模式介导的高保真双量子纠缠门，从而有望扩展离子阱量子计算机的规模。

综上所述，段路明团队的这项研究在量子模拟领域取得了显著进展，不仅展示了量子模拟器在探索量子多体系统方面的强大能力，同时也突出了实验设置、稳定性分析和量子采样在实现精确量子模拟中的重要性。这些成果为未来的量子计算和量子信息处理技术的发展奠定了坚实基础。

值得注意的是，尽管这项研究取得了显著的进展，但量子模拟仍然面临着许多挑战。例如，随着量子比特数量的增加，系统的复杂性急剧上升，对实验控制的精度要求也更高。此外，量子系统的稳定性和可扩展性也是实现大规模量子模拟的关键问题。未来的研究需要解决这些问题，以实现更大规模和更高精度的量子模拟。

04

上下求索，勇攀高峰：清华大学段路明研究组的不断突破

每一项创新成果的背后，都是无数次的尝试和不懈的研究积累。在这项突破性研究之前，2022年4月，段路明研究组在离子阱量子模拟领域取得重要进展，首次在实验中借助离子量子比特实现了拉比-哈伯德（Rabi-Hubbard）模型，并验证了该模型的量子相变以及量子动力学过程。通过对16个离子和16个简谐振动模式的操控，该量子模拟问题的有效空间维度达到了257，超越了现有经典超级计算机的模拟能力。相关成果论文以“Experimental Realization of the Rabi-Hubbard Model with Trapped Ions”为题发表于Physical Review Letters。

2022年5月，他们团队在离子阱量子模拟领域继续取得重要进展，利用单个囚禁离子成功实现了磁场中的二维外尔粒子的量子模拟。相关成果论文以“Quantum Simulation of the Two-Dimensional Weyl Equation in a Magnetic Field”为题刊发于Physical Review Letters。

2022年8月，段路明研究组利用同种离子首次实现了可以相干转换的双重量子比特编码，以克服量子计算过程中多比特之间串扰的影响，该实验验证了在各种量子操控过程中系统的串扰误差均显著低于量子纠错所要求的阈值。克服串扰的影响是实现量子纠错和大规模容错量子计算的一个关键要求，段路明研究组的突破为基于离子阱系统的容错量子计算提供了重要工具。相关成果论文以“Realizing coherently convertible dual-type qubits with the same ion species”为题在Nature Physics发表，瑞士ETH的Hempel教授在同期的Nature Physics新闻与评述栏目专文推介此成果论文。

05

团队研究简介

该论文通讯作者为清华大学交叉信息研究院段路明教授。段路明于中国科技大学获得学士 (1994年) 和博士学位 (1998年)，毕业后留校任教，历任副教授、教授。2018年全职回清华大学交叉信息研究所。2023年，段路明正式当选中国科学院院士。现在，作为清华大学量子信息中心主任、基础科学讲席教授的段院士，正带领一众科研人员，在量子科学领域创下非凡成就。

段路明教授 丨图片来源：清华大学

段路明教授从事量子计算机和量子网络方向的研究，完成了量子信息领域一些开创性的工作，提出实现长距离量子通信网络的量子中继方案，被国际同行誉为“DLCZ”（Duan-Lukin-Cirac-Zoller）方案，为该领域的奠基性方案。段路明教授在物理学著名学术期刊发表论文180余篇（其中《物理评论快报》50余篇，《自然》8篇，《科学》3篇，《自然》、《科学》子刊10余篇），共被引用26,000多次。

段路明研究组合影丨图片来源：清华大学

其他作者包括交叉信息研究院助理教授吴宇恺，副研究员周子超、何丽，助理研究员祁宾祥，博士后许钰梓、张弛，博士生郭世安、叶京、张霖、王也、严若宇、易雨瑾、许煜麟、侯云瀚，以及华翊量子公司成员连文倩、姚睿、李博文、郭伟轩。该研究得到了科技创新2030 —“量子通信与量子计算机”重大项目（2021ZD0301601,2021ZD0301605）、新基石研究员项目、清华大学自主科研计划、教育部、清华大学笃实专项和启动经费的资助与支持。

参考来源

[1] https://www.nature.com/articles/s41586-024-07459-0

[2] https://mp.weixin.qq.com/s/dSXfiX8XbVV4SNZZtp5BTQ

[3] https://iiis.tsinghua.edu.cn/show-10566-1.html

[4] https://www.ncsti.gov.cn/kjdt/ztbd/kcrbqykjzb/202306/t20230627_125820.html

[5] https://www.nature.com/articles/s41467-023-44220-z 

本文经授权转载自微信公众号“光子盒”，原标题为《Nature 审稿人：值得关注的里程碑！段路明研究组首次实现基于数百离子量子比特的量子模拟计算》。