我国科学家让“脆弱”的量子态变“皮实”

从中国科学技术大学获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人，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。该研究成果日前发表在《自然-通讯》上。

量子计算的下一阶段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。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，保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录。 由于量子比特太脆弱，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。

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？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%。

这种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。（受访者供图）