新型自旋電荷轉化方法 讓“脆弱”的量子態變“皮實”

記者從中國科學技術大學獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人，提出了不同于傳統思路的新型自旋電荷轉化方法，將“脆弱”的自旋量子態信息轉移到“皮實”的電荷狀態上，從而實現更高保真度的量子比特讀出。該研究成果日前發表在《自然-通訊》上。

量子計算的下一階段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節的保真度超越容錯閾值。杜江峰團隊基于金剛石氮-空位(NV)色心實現了突破容錯閾值的高保真度量子邏輯門，保持著室溫固態體系量子邏輯門保真度的最高世界紀錄。 由于量子比特太脆弱，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態之間的翻轉，最終造成讀出誤差。實現高保真度的量子比特讀出，要求測量對系統的擾動盡量微小，在量子比特狀態被破壞之前得到高質量信號。

既然自旋態不耐讀，能不能把它先替換成皮實、耐讀的觀測量，再做讀出?研究人員從上述思路出發，首先比較了在光讀出下電荷態和自旋態的壽命，發現電荷態穩定性比自旋態高5個數量級，在實驗中實現了保真度高達99.96%的電荷態非破壞測量。接著，通過引入紅外光誘導的激發態電離通道，將自旋的0和1分別對應地轉化成電荷的“電中性”和“帶負電”兩種狀態，進而通過讀出電荷態實現對自旋態的讀出。實驗結果顯示，在自旋翻轉過程嚴重的NV色心上，傳統共振熒光方法誤差為20.1%，而新方法將誤差壓制到了4.6%。

這種新方法可以與光學結構等傳統手段兼容，豐富了固態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。結合單電子晶體管讀出技術，可實現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，該技術可大幅提升量子傳感探測效率。(吳長鋒)