一天2篇Nature+封面清华大学两团队最新科研突破

　　大量子位容量和单个读出能力是大规模量子计算和模拟的两个关键要求。作为量子信息处理的主要物理平台之一，离子阱已经在一维Paul阱中实现了数十个具有位置分辨读出的离子的量子模拟，在二维(2D) Penning阱中实现了数百个具有全局可观测值的离子的量子模拟。然而，将这两个功能集成到一个系统中仍然非常具有挑战性。

　　2024年5月29日，清华大学段路明团队在Nature 在线发表题为“A site-resolved two-dimensional quantum simulator with hundreds of trapped ions”的研究论文，该研究报道了512个离子在二维维格纳晶体中的稳定捕获和它们横向运动的边带冷却。

　　另外，2024年5月29日，清华大学施路平、赵蓉共同通讯在Nature 在线发表题为“A vision chip with complementary pathways for open-world sensing”的研究论文（被选为封面文章），该研究提出了一种受人类视觉系统启发的互补感知范式，该范式涉及将视觉信息解析为基于原语的表示，并将这些原语组合成两条互补的视觉路径:用于准确认知的以认知为导向的路径和用于快速反应的以行动为导向的路径。为了实现这一范式，开发了一种名为“天眼”的视觉芯片，该芯片结合了混合像素阵列和并行异构读出架构。利用互补视觉路径的特性，天眼实现了高达10,000 fps的高速传感，130 dB的动态范围，在空间分辨率，速度和动态范围方面都是先进的数字。此外，它自适应地减少了90%的带宽。该研究展示了将天眼芯片集成到自动驾驶系统中的能力，即使在开放道路上具有挑战性的角落情况下，也能实现准确、快速和强大的感知。基于原始的互补传感范式有助于克服开发用于各种开放世界应用的视觉系统的基本限制。

　　量子计算和量子模拟已经进入了一个数百量子位的时代，复杂的计算任务超出了当前经典计算机的能力。为了进一步扩展噪声中尺度量子(NISQ)器件在实际问题和经典难题上的应用，多体动力学的量子模拟和NISQ算法如量子退火和变分量子算法引起了广泛的研究兴趣。除了大量子位数之外，这些应用的一个关键要求是能够在单个射击中读出单个量子位状态，从而允许，例如，在量子动力学下测量量子位的空间相关性或评估优化问题中的多体目标函数。

　　作为领先的量子计算平台之一，离子阱已经在一维(1D)保罗阱中展示了高达61个量子位的量子模拟，并具有单个检测。为了进一步扩大量子比特数，一种可行的方法是将离子捕获在二维(2D)晶体中。到目前为止，已经报道了在多普勒冷却下含有多达150个离子的二维晶体，在双色调激光冷却下含有约50个离子，在电磁感应透明(EIT)冷却下含有约100个离子，并且在二维中也已经证明了在多达10个离子的情况下进行全局量子操纵和个体探测。

　　值得注意的是，二维微阱阵列也已在小尺度上实现，具有较大的间距和弱耦合强度，量子电荷耦合器件架构的二维结也已被实现为扩展系统的可行方法。相比之下，二维离子晶体在潘宁阱中是原生的，大约200个离子的量子模拟已经实现了。然而，由于离子晶体在Penning阱中的快速旋转，单个量子位态的检测仍然是一个实验挑战。尽管空间和时间分辨成像技术已被用于计算离子数，但Penning阱中量子模拟的观测结果仍然局限于全局。

实验装置和二维离子晶体（图源自Nature ）

　　该研究报告了512个171Yb+离子的二维离子晶体的稳定捕获，其相关的横向模式(垂直于离子平面)EIT和边带冷却到每个模式低于一个声子。研究人员演示了远程量子Ising模型的量子模拟，具有可调谐的耦合强度和模式，有或没有挫折，使用300个离子。利用单次测量中的位置分辨率，在准绝热制备的基态中观察到丰富的空间相关模式，这使得人们可以通过将测量的双自旋相关与计算的集体声子模式以及经典模拟退火进行比较来验证量子模拟结果。进一步探讨了Ising模型在横向场中的猝灭动力学，以演示量子采样任务。该研究为模拟经典棘手的量子动力学和使用二维离子阱量子模拟器运行嘈杂的中等规模量子算法铺平了道路。