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首次实现基于数百离子量子比特的量子模拟计算，该成果研究论文《具有单比特分辨率的数百囚禁离子二维量子模拟器》，于5月30日在《自然》官网在线发表，被《自然》审稿人称为“量子模拟领域的巨大进步”“值得关注的里程碑”。
段路明院士（右一）指导学生实验。清华大学 供图
研究团队介绍，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。
清华段路明研究组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，提高离子阵列稳定性，首次实现512离子二维阵列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。
研究人员进而利用300个离子量子比特实现可调耦合的长程横场伊辛模型的量子模拟计算。长程横场伊辛模型，是一类重要的量子多体模型，有助于理解量子信息、凝聚态物理等领域的基本问题，也可用于求解优化问题等现实应用。
该工作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，首次实现基于二维离子阵列的大规模量子模拟。
研究人员还对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，300个离子量子比特同时工作时，所能执行的计算复杂度达到2的300次方，超越经典计算机的直接模拟能力。该实验系统为进一步研究多体非平衡态量子动力学这一重要难题提供了强大的工具。