研究背景

随着量子计算和量子模拟技术的迅猛发展，科学家们对于实现大规模量子计算和模拟的需求日益迫切。在这一领域，离子阱作为主要的量子信息处理平台之一，吸引了广泛的关注和研究。其中，实现大量量子比特容量和单个读出能力是两个至关重要的挑战。

量子计算和量子模拟的发展使得研究者们可以探索超出经典计算机范畴的复杂计算任务，例如量子退火和变分量子算法等。然而，要将噪声中等规模量子设备应用于实际和经典无法解决的问题，就需要解决两个主要挑战：大量量子比特容量和单个读出能力。

在离子阱量子计算平台中，科学家已经实现了一维Paul阱中数十个离子的量子模拟，并且可以进行位置分辨的单个读出。为了进一步扩展量子比特数量，一个可行的方式是将离子困在二维晶体中。然而，要在二维结构中实现大量离子的稳定捕获并进行单个读出仍然是一个具有挑战性的问题。

为了解决这些挑战，清华大学段路明教授团队在“Nature”期刊上发表了题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的最新论文。他们通过精密的实验操作，成功地稳定捕获了512个离子的2D离子晶体，并实现了单个读出。随后，他们利用自旋相关交流斯塔克位移等方法，实现了长程伊辛耦合，并演示了量子模拟的可调耦合模式。通过准绝热制备基态等技术，他们观察到了丰富的自旋-自旋空间相关性模式，并成功模拟了经典计算机难以处理的量子动力学问题。    

研究亮点  

1.本研究成功实现了在2D Wigner晶体中稳定捕获512个离子，这是对大规模量子计算和模拟的重要突破。这一成就为构建高容量量子系统奠定了基础，具有重要的实用意义。

2.通过实现单个离子状态的读取能力，研究团队克服了对大规模量子系统进行准确测量的关键障碍。这项技术的突破对于量子模拟和量子计算的发展至关重要，为解决实际问题提供了关键支持。

3.使用300个离子，研究团队成功地实现了长程量子伊辛模型的量子模拟。通过调控耦合强度和模式，他们实现了对模型的精确控制，为研究量子相互作用提供了新的工具和途径。    

4.通过单次测量中的位置分辨，研究团队观察到了准绝热制备的基态中丰富的空间相关模式。这一观测不仅验证了量子模拟结果，还为研究量子动力学提供了新的实验数据和理论验证手段。

5.研究团队进一步探索了量子取样任务，通过对伊辛模型的急剧变化动力学进行研究，展示了量子计算在处理复杂问题上的潜力。这一探索为量子计算在实际问题中的应用提供了新的思路和方法。

图文解读

图1：实验设置和2D离子晶体。

图2. 准绝热制备的N=300个量子比特基态中的空间相关模式。

图3. 受限玻璃模型的量子模拟。

图 4：急剧变化动力学和量子取样。

总结展望

本研究首先通过成功实现对超过500个离子的2D晶体的稳定捕获和对300个离子的单个态检测，突破了大规模量子计算和模拟的关键障碍。其次，通过利用激光功率进行精准控制，并结合优化位置的谐振吸收和双类型量子比特方案，展示了扩展系统规模到数千个离子的可行性。此外，通过耦合多达两个声子模式，创造了一个受挫的伊辛模型哈密顿量，为模拟丰富的量子动力学提供了新途径。通过工程更复杂的耦合系数，以及将激光的2D单独寻址集成到系统中，将进一步拓展量子计算和模拟的能力。总体而言，这项研究为实现更高效、更稳定的量子计算机和模拟器提供了重要的科学价值和实验基础。    

原文详情：

Guo, SA., Wu, YK., Ye, J. et al. A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions. Nature (2024). 

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07459-0