中國科學技術(shù)大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人在高保真度量子比特讀出方面取得重要進展，提出了不同于傳統(tǒng)思路的新型自旋電荷轉(zhuǎn)化方法，將“脆弱”的自旋量子態(tài)信息轉(zhuǎn)移到“皮實”的電荷狀態(tài)上，從而實現(xiàn)更高保真度的量子比特讀出。該研究成果以"High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion"為題，發(fā)表在近期的《自然-通訊》上[Nature Communications 12, 1529 (2021)]。

量子計算發(fā)展到今天，在某些特定問題上已經(jīng)初步展示了對經(jīng)典計算機的量子優(yōu)越性。下一階段的重要里程碑是可容錯量子計算，其前提是量子邏輯門和量子比特讀出等環(huán)節(jié)的保真度超越容錯閾值。在先前工作中，中國科大杜江峰團隊基于金剛石氮-空位（NV）色心實現(xiàn)了突破容錯閾值的高保真度量子邏輯門[Nat. Commun. 6, 8748 (2015)]，保持著室溫固態(tài)體系量子邏輯門保真度的最高世界紀錄。在本工作中，該團隊瞄準了高保真度量子比特讀出這一目標。

日常生活中，我們?nèi)羰且粫r看不清紙上的字，只需要多看一眼，或者更技術(shù)地講，增加測量時間，就能分辨出字形。這里一個看起來很天然的前提是，無論我們盯著讀多久，紙上的字都不會被“讀壞”。在微觀世界里，事情就沒這么容易了。測量伊始，量子比特首先會發(fā)生0+1疊加態(tài)的坍縮。所謂讀出，就是測量比特到底坍縮到了0態(tài)還是1態(tài)。但是量子比特太脆弱，我們通常的讀出手段對它們來說還是有些粗暴，哪怕是幾個光子打上去都可能造成0和1態(tài)之間的翻轉(zhuǎn)，最終造成讀出誤差。實現(xiàn)高保真度的量子比特讀出，要求測量對系統(tǒng)的擾動盡量微小，在量子比特狀態(tài)被破壞之前得到高質(zhì)量信號。

自旋電荷轉(zhuǎn)化原理及邏輯圖

共振熒光法被廣泛應(yīng)用于諸多固態(tài)自旋體系的量子比特讀出，如金剛石色心、量子點和固體中的稀土離子等。其主要原理如能級圖中所示，只有自旋處于0態(tài)時會被共振光激發(fā)，隨后發(fā)出熒光信號。但是在實際體系中，普遍存在自旋翻轉(zhuǎn)過程，造成信號還沒積累好，量子比特的狀態(tài)先被“讀壞”了，嚴重限制了讀出保真度。為了抵抗自旋翻轉(zhuǎn)過程帶來的誤差，通常思路是增強熒光信號，趕在自旋態(tài)破壞之前獲取足夠信噪比，如加工固態(tài)浸沒透鏡、納米柱、光學微腔等微納結(jié)構(gòu)。為了保證器件產(chǎn)率，上述方法需要非常精細的微納工藝，但是微納加工經(jīng)常會引入額外的應(yīng)變、表面缺陷等，反而引起自旋翻轉(zhuǎn)加速和譜線跳動。

既然自旋態(tài)不耐讀，能不能把它先替換成皮實、耐讀的觀測量，再做讀出？在本工作里，研究人員從上述思路出發(fā)，首先比較了在光讀出下電荷態(tài)和自旋態(tài)的壽命，發(fā)現(xiàn)電荷態(tài)穩(wěn)定性比自旋態(tài)高5個數(shù)量級，在實驗中實現(xiàn)了保真度高達99.96%的電荷態(tài)非破壞測量。接著，通過引入紅外光（1064 nm）誘導的激發(fā)態(tài)電離通道，將自旋的0和1分別對應(yīng)地轉(zhuǎn)化成電荷的“電中性”和“帶負電”兩種狀態(tài)，進而通過讀出電荷態(tài)實現(xiàn)對自旋態(tài)的讀出。實驗結(jié)果顯示，在自旋翻轉(zhuǎn)過程嚴重的NV色心上，傳統(tǒng)共振熒光方法誤差為20.1%，而新方法將誤差壓制到了4.6%。

另外，該工作確定性地證明了紅外光通過單光子過程電離NV-激發(fā)態(tài)。2013年以來，關(guān)于1064nm波長的紅外光抑制NV色心熒光的物理機制存在爭議，光熱、受激輻射、暗能帶、光電離等多種模型被提出。本工作提供了支持光電離模型的關(guān)鍵實驗證據(jù)，并且與目前部分第一性原理模型預(yù)測截然不同，可以為相關(guān)理論提供實驗修正參考。

新方法可以與光學結(jié)構(gòu)等傳統(tǒng)手段兼容，豐富了固態(tài)自旋的高保真度讀出工具箱，在量子信息處理和量子精密測量方面具有重要應(yīng)用。進一步提升紅外光電離速率，有望突破量子比特讀出的容錯閾值。結(jié)合單電子晶體管讀出技術(shù)，可實現(xiàn)光電集成化的量子芯片。紅外波段對生物組織等樣品光損傷更小，該技術(shù)可大幅提升量子傳感探測效率。

中國科學院微觀磁共振重點實驗室的特任副研究員張琪、博士研究生郭宇航和博士后研究員季文韜為該文共同第一作者，杜江峰教授和王亞教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。

論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21781-5

（中國科學院微觀磁共振重點實驗室、物理學院、合肥微尺度物質(zhì)科學國家研究中心、

中國科學院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）

新聞鏈接：http://news.ustc.edu.cn/info/1055/74493.htm

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