近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）兼聘研究员、清华大学物理系金奇奂教授团队通过量子模拟实验首次证明了二维离子晶体可用于量子信息处理。2024年1月26日，研究结果以“基于保罗阱中二维离子晶体的自旋模型可调量子模拟”（Tunable quantum simulation of spin models with a two-dimensional ion crystal）为题发表在《自然·物理》（Nature Physics）上。

离子阱系统是量子信息研究的热门领域之一，具有相干时间长、量子门保真度高等优点，被广泛用于量子计算与量子模拟。目前绝大多数离子阱量子信息处理都在一维离子链上完成，而二维离子晶体可大幅提升离子阱系统的可拓展性并用于探索新奇二维量子物理，因而在过去十年国内外研究组多次尝试将离子阱拓展到二维，但是受限于微振动等问题一直未能实现。

为解决以上困难，团队基于自研的离子阱芯片囚禁二维离子晶体，通过电磁诱导透明将镱离子（¹⁷¹Yb⁺）冷却到声子数小于 1，随后在由 4 、7 、10 个离子组成的二维离子晶体上进行了量子模拟实验，通过绝热降低横向磁场强度成功制备了伊辛（Ising）模型的基态。并通过控制芯片电极电压，对离子晶体进行旋转，将微振动旋转到与操作激光垂直的方向，此时由于离子的微振动与激光方向垂直，从而避免多普勒效应在激光上引起相位噪声，使高质量量子操作成为可能。为实现这一操作，研究团队历经多年从零开始设计了一款可精确调节离子晶体角度的芯片型离子阱，在2020年首次完成离子晶体角度调节的演示实验[Wang Ye, et al. Advanced Quantum Technologies 3.11 (2020): 2000068]。

图1 (a)离子阱芯片结构示意图。(b)离子阱芯片的扫描电镜图像。

(c)装配在真空腔中的离子阱芯片。

图2 (a) 七离子构成的二维离子晶体的振动能谱。(b,c,f,g) 通过调节失谐制备带有阻挫的相互作用基态。(b,f) 绝热演化曲线。(c,g) 基态布居数。(d,e) 基态分区磁化的绝热演化曲线与基态布居数。(h) 通过逆向绝热演化制备回到初态以验证量子相干性。

为了验证量子模拟得到的基态，在由四个离子构成的二维离子晶体上研究团队进行了量子模拟实验。分别选用了离子晶体的质心模和锯齿形（zig-zag）模式进行了绝热演化模拟，并对绝热演化的时间演化曲线和终态布居数进行了测量。研究人员发现绝热演化后得到的量子态与理论预期一致，在质心模中得到了铁磁相互作用的基态，所有自旋都倾向于朝向相同方向；在锯齿形模式中得到了反铁磁相互作用的基态，相邻的自旋倾向于朝向相反方向，验证了绝热演化过程的可靠性。随后通过改变失谐对七个离子构成的二维离子晶体的相互作用进行调节，分别实现基态带有阻挫和分区磁化的相互作用，并通过绝热演化成功制备了基态，演示了二维离子晶体用于量子模拟的可调节性。同时，研究人员还通过逆向绝热演化将已经制备的基态再次演化到初态，并通过其与未经绝热演化的初态的高度重合验证了整个过程的量子相干性。

该论文第一作者为清华大学物理系博士生乔木，通讯作者为清华大学物理系博士生乔木和量子院/清华物理系教授金奇奂。其他重要作者还包括量子院副研究员张静宁、助理研究员王鹏飞。该工作得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金资助。

文章链接：

https://www.nature.com/articles/s41567-023-02378-9