量子模拟是量子计算机最重要的应用之一，指的是用量子计算机去模拟一个用其他实验方法难以直接研究的复杂量子系统。

清华大学段路明研究组近日在量子模拟计算领域取得重要突破，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，将原来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。

△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

此前研究人员能够实现的离子量子比特数是61个离子，而且是一维阵列的量子模拟，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。

△典型300离子长程横场伊辛模型量子模拟计算结果

在这项研究中，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伊辛模型的量子模拟计算。

一方面，研究人员通过准绝热演化制备阻挫伊辛模型的基态，测量其量子比特空间关联，从而获取离子的集体振动模式信息，并与理论结果对比验证；

另一方面，研究人员对该模型的动力学演化进行量子模拟计算，并对末态分布进行量子采样，通过粗粒化分析验证其给出非平庸的概率分布，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。