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研究背景

随着量子计算和量子模拟领域的迅速发展，科学家们对于构建大规模量子计算机和模拟器的兴趣与日俱增。其中，关键的挑战之一是实现大量量子比特的稳定捕获和单个量子比特的读取，这对于进行大规模量子计算和模拟至关重要。

离子阱作为一种主要的量子计算平台，已经在一维Paul阱中实现了数十个离子的量子模拟，并且可以进行位置分辨的读取。但要进一步扩展系统规模，将离子捕获在二维晶体中变得十分重要。过去的研究显示，尽管已经在Doppler冷却下实现了150个离子的二维晶体，但对于实现单个离子状态的读取仍然面临挑战。此外，在Penning阱中实现的二维离子晶体虽然规模较大，但由于离子晶体的快速旋转，仍然难以实现单个量子比特的读取。

为了解决这些挑战，清华大学L.-M. Duan团队携手进行了一系列工作。他们首先实现了在2D Wigner晶体中稳定捕获了512个离子，并成功对其横向运动进行了边带冷却。随后，利用激光的自旋相关交流斯塔克位移，他们实现了长程伊辛耦合，并演示了使用300个离子进行了长程量子伊辛模型的量子模拟。通过准绝热制备基态，他们观察到了丰富的空间相关模式，并成功验证了量子模拟结果。此外，他们还探索了伊辛模型的急剧变化动力学，并展示了量子取样任务的潜力。相关研究在“Nature”期刊上发表了题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulatorwith hundreds of trapped ions”的最新论文。

这项研究工作为解决量子计算和量子模拟中的关键问题提供了重要的进展。通过实现大量离子的稳定捕获和单个量子比特的读取，他们为构建大规模量子计算机和模拟器奠定了基础。同时，通过量子模拟复杂的量子动力学和探索量子算法的潜力，他们也为未来量子技术的发展指明了方向。

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研究亮点

（1）实验首次在二维Wigner晶体中稳定捕获了512个离子，实现了对其横向运动的边带冷却。

（2）通过对300个离子进行量子模拟，研究了长程量子伊辛模型的耦合强度和模式的调节。利用单次测量的位置分辨，观察到了丰富的空间相关模式，并与计算的集体声子模式以及经典模拟退火进行了比较验证。

（3）实验利用自旋相关交流斯塔克位移生成了长程伊辛耦合，并演示了对长程量子伊辛模型的量子模拟，证明了离子阱自然具有的长程自旋相互作用的优势。

（4）通过调节激光参数并准绝热地准备基态，观察到了不同的自旋-自旋空间相关模式，这为量子动力学的模拟提供了新的可能性。

（5）作者进一步探索了量子模型的急剧变化动力学，包括对横场伊辛模型的快速演化以及从最终量子态中进行取样，为运行噪声中等规模量子算法奠定了基础。

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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

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研究结论

本项研究在量子计算和模拟领域取得了重要进展，为大规模量子系统的发展提供了新的思路和方法。首先，通过稳定捕获超过500个离子的2D晶体，并展示了对300个离子进行单个态检测的量子模拟，作者克服了实验上的技术挑战，为构建高容量量子系统奠定了基础。其次，通过引入多频率成分或施加空间梯度的方法，作者创造了受挫的伊辛模型哈密顿量，实现了复杂耦合系数的工程化，从而模拟了对经典计算机难以处理的丰富的量子动力学。最后，通过将激光的2D单独寻址集成到系统中，作者的2D离子晶体可以支持高保真度的两量子比特纠缠门，为扩展离子阱量子计算机的规模提供了新的途径。这些成果不仅推动了量子计算和模拟的理论和实验研究，也为解决实际问题提供了关键支持，有望在未来实现更加强大和可靠的量子计算机。

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编辑：Zero