●记者 贠尔茹 学生记者 朱滢

图片分别为：①段路明院士研究组合影。②段路明院士（右一）指导学生实验。③段路明团队设计的分立式刀片阱。

从61个到512个——清华大学交叉信息研究院段路明院士团队，在离子量子计算机研究上，曾以61个可操控离子数的成绩领先世界，如今，他们又将可操控的离子数提升了8倍以上，再次创造了世界新纪录。

基于该技术，团队已经研制出基于数百离子的具有单点分辨能力的大规模二维量子模拟器。2025年7月，第二代离子阱量子计算机商业化原型机HYQ-B100也已实现样机生产，推动国产离子阱量子计算机达到了世界一流水平。

刷新可操控离子数纪录

离子量子计算是用离子来编码量子比特的一种技术，是实现通用量子计算机主要的技术路线之一。不过，离子带正电荷，对外界电磁场干扰极其敏感，在该研究中，研究人员始终面临如何在一定范围内精准、大规模地控制离子量子比特的挑战。

曾经，段路明团队至多能操控61个离子量子比特进行模拟计算。此次，研究团队则实现了多达512个离子二维阵列的稳定囚禁冷却和300个离子可单比特分辨量子态测量。

该成果于2024年5月发表在《自然》（Nature）期刊上，并被审稿人称为量子模拟领域的“巨大进步”“值得关注的里程碑”。成果还入选2024年清华大学最受师生关注的十大亮点成果。

从61到300，这不只是实验成果数据的飞跃，也是量子计算机模拟复杂度的极大进步。具体而言，61量级的量子计算机可计算的空间维度为2的61次方，而300量级的量子计算机可计算的空间维度为2的300次方，后者模拟复杂度是前者的2的239次方（约883亿亿亿亿亿亿亿亿）倍。

在应用中，第二代离子阱量子计算机商业化原型机HYQB100采用国产的声光偏转器进行量子比特的寻址操控，通过低温离子阱系统可以实现大规模离子晶体的稳定囚禁，500个离子晶体的稳定囚禁时间超过60小时，具备针对过百量子比特实施相干操控的能力。HYQB100的寻址串扰率低于千分之一，态制备与测量错误率针对单离子优于万分之五，在200离子体系中平均优于千分之五，各项性能指标在大规模体系中均处于世界前列。

当前，段路明团队的离子量子模拟计算已经能够支持完成很多大规模计算工作，部分实验方案已与企业开展合作，面向金融模型求解、新药筛选优化等场景进行早期验证。

创新提出领先世界的技术方案

研究期间，团队创新提出了先进解决方案，突破了离子量子计算核心技术，从而大幅提升了可操控离子数。

团队骨干周子超副研究员表示，传统的电磁感应透明冷却方式不能有效冷却弱磁场或中等磁场下具有高核自旋的离子。为此，团队创造性地提出适用于高自旋离子的电磁感应透明过程所需泵浦探测激光方案，在137Ba离子上实现了类法诺线型光谱，成功将五个离子链中的所有离子冷却到接近基态。该方案可以应用于大规模二维离子晶格的快速基态冷却，克服了下一代离子量子计算机研制的主要困难之一。

此前，一维链式结构是离子量子比特的主流排列方案，这种方案下，离子间的动态平衡会随着离子数量的增多以及外界干扰被破坏。

而段路明团队创新提出了一种利用现有的电极微加工技术和周期性激光脉冲技术实现大规模二维离子阵列上高速量子计算的方案。研究团队将离子排列从一维链式列变为二维阵列，可以将离子规模从几十提升到数百甚至上千规模；同时，利用低温冷却和一体化电极设计提升离子晶格稳定性；通过正交声光偏转器实现二维激光寻址，支持多组逻辑门并行执行运算，且误差小。

如何让大量离子协同工作也是一大难点。

周子超表示，传统方案将离子量子比特分为两类，一种是用于计算和存储的“数据比特”，另一种是用于测量、协同冷却、离子-光子纠缠等辅助操作的“辅助比特”。随着离子阵列规模的扩大，调控两种类型离子的分布及位置并实现协同冷却，变得愈发困难。

团队首次提出双重量子比特编码方案，实现在同一离子量子比特中在“数据比特”和“辅助比特”中来回切换，即一种离子就能完成此前两种离子协同完成的工作，解决了长期困扰业界的系统复杂度与耦合效率难题。

下一步，段路明团队将进一步聚焦于离子量子比特的规模化扩展，逻辑比特构建与量子纠错编码验证，探索多离子节点的网络通信机制，并尝试构建初步的离子量子互联网架构。

◆研究背景◆

当前，社会发展、经济建设、科学研究需要计算的内容呈指数型增长，以“晶体管”为存储和计算媒介的经典计算机算力已接近极限。

量子是一个物理量最小的不可分割的基本单位，是微观物质世界的基本构成。随着量子力学研究的进展，人类对于微观世界运行规则的认识更加深入，开始认识到，使用量子粒子来存储信息、进行计算的量子计算机可以展现出极其强大的计算能力。

量子计算技术一旦实现应用层级的突破，将对现有数据计算、信息安全体系的运行方式产生巨大的冲击，对全球金融、通信、能源等领域产生颠覆性影响。所以，量子计算不仅是前沿科技课题，更是关乎发展主动权、国家安全的战略制高点。

全球各国正在加紧对量子计算的研究。党的二十届四中全会审议通过《中共中央关于制定国民经济和社会发展第十五个五年规划的建议》，将量子科技置于我国未来新的经济增长点首位。