随着半导体技术的不断发展,半导体芯片的制程在不断地降低,从2001年的130 nm制程,发展到2012年的22 nm制程,再到2021年最近试产的3 nm制程。制程的不断降低极大地提升了经典半导体芯片的计算能力。但是随着晶体管大小逐渐接近原子尺寸,半导体芯片的正常功能受到量子力学的干扰,摩尔定律也因此逐渐失效。为了避免计算能力的发展陷入瓶颈,科研人员逐渐将注意力转移到量子计算。经过四十年的发展,量子计算已经达到了第一个里程碑,实现了量子计算优越性,也由此进入了含噪声中等规模量子计算时代。目前量子计算主要有两个发展方向,一个方向是继续提高量子处理器的集成度和性能,提高量子纠错的能力,向着可容错通用量子计算机发展;另一个方向是积极寻求能够容忍噪声,可以在当前含噪声中等规模量子处理器上运行的,有实际用途的量子算法,并以此构建专用的量子模拟机。通过将待模拟量子系统的哈密顿量与量子模拟机系统的哈密顿量进行对应,可以在量子模拟机系统上运行量子模拟算法,快速模拟待模拟量子系统的动力学过程。量子模拟算法具有抗噪声能力强、所需比特数少、应用范围广等优点,是最有希望拥有近期用途的量子算法之一。本文作者在博士期间主要从事量子模拟在超导量子计算系统中的实验实现工作。为了构建超导量子计算系统的核心器件——超导量子处理器,作者明确了集总电路参数与量子比特参数间的关系,以此完成了超导量子处理器的设计图。并依照此设计图,利用平均能量弛豫时间大于40微秒的微纳加工工艺,制备出高性能的超导量子处理器。超导量子计算系统中还包括测量与控制系统。根据周围环境和测控信号对超导量子处理器的具体影响,作者和同组成员搭建出一套低噪声的处理器测试环境和高精度的信号产生与传输系统。遵循测量与控制系统的基本功能和超导量子比特的基本原理,总结了一系列对超导量子处理器进行基本性能标定和精细校准的实验方法,并通过此实验方法确定了处理器性能指标是否达到模拟实验的要求。至此,量子模拟实验实现的硬件需求已被满足。除此之外,还需要明确了解待模拟量子系统的动力学过程。为了解决这一问题,本文作者利用python语言独立开发了量子比特阵列的动力学经典仿真系统,并以此进行小规模多体量子系统的动力学过程仿真。此仿真系统为量子模拟实验既提供了理论结果参考,又提供了误差分析工具,保证了量子模拟实验的正常进行。量子模拟实验实现的软件仿真需求也由此得到满足。软硬件需求都得到满足后,作者可以开始量子模拟实验,针对具体的物理系统进行模拟研究。在多体量子模拟中的遍历相与局域相研究中,本文作者和实验合作者利用一维链12比特量子处理器编码遍历相与局域相的耦合系统,并以此模拟耦合系统的动力学过程,研究其物理性质。通过测量占据数、相关函数、和局域长度等物理量的随时间演化关系,可以明显观察到耦合系统的邻近效应对局域相系统中局域性的破坏,这是首次在实验上观察到了驱动系统中的邻近效应。除了对一维量子系统的模拟外,本文作者和实验合作者还在8×8二维阵列量子处理器上进行了二维量子随机行走的量子模拟。不仅成功模拟了二维量子随机行走的动力学过程,而且利用处理器的可编程性定义粒子传播路径,首次成功在超导系统中观察到马赫曾德尔干涉仪的干涉条纹。两个模拟实验的成功实现,证明了量子处理器硬件、测控环境、标定与校准方法、仿真软件的可靠性。这为后续物理模型模拟、量子化学模拟、新材料设计等工作提供了坚实的理论与实验基础,也为未来的超导量子计算系统的改进与发展提供了方向。