中国科学技术大学杜江峰教授课题组在量子模拟的实验研究中取得重要进展。他们在国际上首次实验实现了压缩量子模拟方法，将原先需要n量子比特的量子模拟任务压缩到仅需log(n)量子比特并在实验中成功实现。利用该方法，他们使用核磁共振量子模拟器成功研究了一个32自旋链的基态性质。这一实验的成功实现预示着量子模拟能解决的问题尺度将大为增加，为量子模拟超越经典计算提供可能。相关研究成果发表在近日出版的《物理评论快报》上，并被选为该期编辑推荐亮点文章。
在多体量子系统的研究中，若直接使用经典计算机进行数值计算，需要消耗指数级的资源。如模拟32个自旋1/2粒子组成的多体系统需要的计算量就高达10^20量级，对于经典计算机而言极难完成。1982年，诺贝尔物理学奖得主费曼教授提出量子模拟的概念，指出使用量子模拟器研究量子系统仅需要多项式级资源，相对经典情形可达到指数级加速。然而，受限于目前对量子系统的操控能力，实验中可使用的量子模拟器的尺度仍然较小，这使得较大规模量子系统的实验研究目前仍然难以完成。
杜江峰教授课题组李兆凯等使用了新颖的压缩量子模拟技术，极大地减少了量子模拟所需的实验资源，将原本需要n量子比特才能实现的量子模拟任务压缩至log(n)量子比特的量子线路。在实验中，他们以32个自旋组成的Ising链为例，利用压缩量子模拟技术将该量子系统的模拟过程压缩至log(32)比特的空间中，进而转化为5比特的量子线路。随后利用核磁共振量子计算机，在实验上成功地模拟了该32自旋链量子系统，观测到其基态性质随该系统内部参数变化的趋势。
这一研究成果表明，对于特定类型的多体量子系统，使用压缩量子模拟技术可以极大地减少对量子模拟器比特数的需求。将经典计算所需的O(2n)资源压缩到仅需O(log(n))量子比特。这种双指数的加速过程使得研究多体量子系统的难度极大地降低，为当前技术水平下实现大规模的量子模拟提供了一种可行方案。该成果发表在2014年《物理评论快报》上，并被选为当期的编辑推荐亮点文章。[Phys. Rev. Lett. 112, 220501 (2014), Editors’ Suggestion] 。
上述研究得到了国家基金委、科技部、中国科学院、教育部的支持。
（量子信息与量子科技前沿协同创新中心）