爆发！清华大学，再发Nature！

清华大学段路明教授团队在Nature期刊上发表题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的论文，其研究详情如下：研究背景量子计算和量子模拟是前沿研究领域，大规模量子计算和模拟对解决经典计算机难以处理的复杂问题至关重要。离子阱是量子信息处理的主要物理平台之一，但实现大规模量子计算和模拟面临高量子比特容量和单个量子比特读出能力两个关键挑战。传统Penning阱中，离子晶体快速旋转导致单个量子比特状态读取困难，量子模拟的可观察量受限于全局。成果简介实现了512个离子的稳定捕获，并对其进行边带冷却，为大规模量子模拟奠定基础。在2D离子晶体中实现量子模拟，探索长程量子伊辛模型的量子模拟，观察到丰富的空间相关模式，验证了量子模拟的有效性。研究亮点稳定捕获与控制：首次在二维Wigner晶体中稳定捕获512个离子，并通过边带冷却成功控制其横向运动，为大规模量子计算和模拟提供关键基础。空间相关模式观察：使用单次测量中的位置分辨技术，观察到准绝热制备的基态中丰富的空间相关模式，验证了量子模拟结果，为研究量子动力学提供重要线索。长程量子伊辛模型模拟：利用离子之间的长程伊辛耦合，成功实现长程量子伊辛模型的量子模拟，并可调节耦合强度和模式，为探索量子力学深层次原理提供新工具和平台。多声子模式探索：通过对多声子模式的耦合和激发，成功探索在经典计算机上具有挑战性的量子模拟任务，如同时耦合多个声子模式以获得挫折伊辛耦合，以及探索横向场伊辛模型的急剧变化动力学。图文导读图1：展示了实验设置和2D离子晶体，为理解实验基础提供直观图像。图2：呈现了准绝热制备的N=300个量子比特基态中的空间相关模式，直观展示研究观察到的关键现象。图3：呈现了受限玻璃模型的量子模拟相关内容，辅助理解该模型模拟情况。图4：呈现了急剧变化动力学和量子取样相关内容，辅助理解相关量子模拟成果。结论展望构建大规模量子系统基础：稳定捕获超过500个离子的2D晶体，并展示对300个离子进行单个态检测的量子模拟，为构建大规模量子系统奠定基础。创造受挫伊辛模型哈密顿量：利用多种方法实现离子之间的长程耦合，创造受挫的伊辛模型哈密顿量，提供模拟量子动力学新途径，支持量子计算机和NISQ算法应用。提供解决复杂问题新思路：展示通过工程更复杂的耦合系数模拟丰富量子动力学，为解决经典计算机无法处理的复杂问题提供新思路和方法。未来展望：提出将2D单独寻址集成到系统中的未来展望，为高保真度两量子比特纠缠门的实现提供支持，拓展离子阱量子计算机规模。文献信息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