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中国科大|中国科大研发新型量子比特读出方法

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中安在线、中安新闻客户端讯 采访人员3月22日从中国科大获悉 ， 中国科学技术大学中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在高保真度量子比特读出方面取得重要进展 ， 提出了不同于传统思路的新型自旋电荷转化方法 ， 将“脆弱”的自旋量子态信息转移到“皮实”的电荷状态上 ， 从而实现更高保真度的量子比特读出 。 该研究成果以"High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion"为题 ， 发表在近期的《自然-通讯》上[Nature Communications 12, 1529 (2021)] 。
量子计算发展到今天 ， 在某些特定问题上已经初步展示了对经典计算机的量子优越性 。 下一阶段的重要里程碑是可容错量子计算 ， 其前提是量子逻辑门和量子比特读出等环节的保真度超越容错阈值 。 在先前工作中 ， 中国科大杜江峰团队基于金刚石氮-空位（NV）色心实现了突破容错阈值的高保真度量子逻辑门[Nat. Commun. 6, 8748 (2015)] ， 保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录 。 在本工作中 ， 该团队瞄准了高保真度量子比特读出这一目标 。
日常生活中 ， 我们若是一时看不清纸上的字 ， 只需要多看一眼 ， 或者更技术地讲 ， 增加测量时间 ， 就能分辨出字形 。 这里一个看起来很天然的前提是 ， 无论我们盯着读多久 ， 纸上的字都不会被“读坏” 。 在微观世界里 ， 事情就没这么容易了 。 测量伊始 ， 量子比特首先会发生0+1叠加态的坍缩 。 所谓读出 ， 就是测量比特到底坍缩到了0态还是1态 。 但是量子比特太脆弱 ， 我们通常的读出手段对它们来说还是有些粗暴 ， 哪怕是几个光子打上去都可能造成0和1态之间的翻转 ， 最终造成读出误差 。 实现高保真度的量子比特读出 ， 要求测量对系统的扰动尽量微小 ， 在量子比特状态被破坏之前得到高质量信号 。
共振荧光法被广泛应用于诸多固态自旋体系的量子比特读出 ， 如金刚石色心、量子点和固体中的稀土离子等 。 其主要原理如能级图中所示 ， 只有自旋处于0态时会被共振光激发 ， 随后发出荧光信号 。 但是在实际体系中 ， 普遍存在自旋翻转过程 ， 造成信号还没积累好 ， 量子比特的状态先被“读坏”了 ， 严重限制了读出保真度 。 为了抵抗自旋翻转过程带来的误差 ， 通常思路是增强荧光信号 ， 赶在自旋态破坏之前获取足够信噪比 ， 如加工固态浸没透镜、纳米柱、光学微腔等微纳结构 。 为了保证器件产率 ， 上述方法需要非常精细的微纳工艺 ， 但是微纳加工经常会引入额外的应变、表面缺陷等 ， 反而引起自旋翻转加速和谱线跳动 。
既然自旋态不耐读 ， 能不能把它先替换成皮实、耐读的观测量 ， 再做读出？在本工作里 ， 研究人员从上述思路出发 ， 首先比较了在光读出下电荷态和自旋态的寿命 ， 发现电荷态稳定性比自旋态高5个数量级 ， 在实验中实现了保真度高达99.96%的电荷态非破坏测量 。 接着 ， 通过引入红外光（1064 nm）诱导的激发态电离通道 ， 将自旋的0和1分别对应地转化成电荷的“电中性”和“带负电”两种状态 ， 进而通过读出电荷态实现对自旋态的读出 。 实验结果显示 ， 在自旋翻转过程严重的NV色心上 ， 传统共振荧光方法误差为20.1% ， 而新方法将误差压制到了4.6% 。
另外 ， 该工作确定性地证明了红外光通过单光子过程电离NV-激发态 。 2013年以来 ， 关于1064nm波长的红外光抑制NV色心荧光的物理机制存在争议 ， 光热、受激辐射、暗能带、光电离等多种模型被提出 。 本工作提供了支持光电离模型的关键实验证据 ， 并且与目前部分第一性原理模型预测截然不同 ， 可以为相关理论提供实验修正参考 。
新方法可以与光学结构等传统手段兼容 ， 丰富了固态自旋的高保真度读出工具箱 ， 在量子信息处理和量子精密测量方面具有重要应用 。 进一步提升红外光电离速率 ， 有望突破量子比特读出的容错阈值 。 结合单电子晶体管读出技术 ， 可实现光电集成化的量子芯片 。 红外波段对生物组织等样品光损伤更小 ， 该技术可大幅提升量子传感探测效率 。
【中国科大|中国科大研发新型量子比特读出方法】中国科学院微观磁共振重点实验室的特任副研究员张琪、博士研究生郭宇航和博士后研究员季文韬为该文共同第一作者 ， 杜江峰教授和王亚教授为共同通讯作者 。 该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助 。 （采访人员 汪乔）

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