量子計(jì)算發(fā)展到今天，在某些特定問(wèn)題上已經(jīng)初步展示了對(duì)經(jīng)典計(jì)算機(jī)的量子優(yōu)越性。下一階段的重要里程碑是可容錯(cuò)量子計(jì)算，其前提是量子邏輯門(mén)和量子比特讀出等環(huán)節(jié)的保真度超越容錯(cuò)閾值。
據(jù)悉，在此前的研究中，中國(guó)科大杜江峰團(tuán)隊(duì)基于金剛石氮 - 空位（NV）色心實(shí)現(xiàn)了突破容錯(cuò)閾值的高保真度量子邏輯門(mén)，保持著室溫固態(tài)體系量子邏輯門(mén)保真度的最高世界紀(jì)錄。
近日，從中國(guó)科大獲悉，該校中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(jìn)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(shí)”的電荷狀態(tài)上，從而實(shí)現(xiàn)更高保真度的量子比特讀出。
在日常生活中，我們?nèi)羰且粫r(shí)看不清紙上的字，只需要多看一眼，即增加測(cè)量時(shí)間，就能分辨出字形。這里一個(gè)看起來(lái)很天然的前提是，無(wú)論我們盯著讀多久，紙上的字都不會(huì)被 “讀壞”；而在微觀世界，測(cè)量時(shí)，量子比特非常脆弱，其狀態(tài)極易被破壞，嚴(yán)重限制了讀出保真度。
為抵抗自旋翻轉(zhuǎn)過(guò)程帶來(lái)的誤差以及保證器件產(chǎn)率，中國(guó)科大研究團(tuán)隊(duì)將不耐讀的自旋態(tài)替換成皮實(shí)、耐讀的觀測(cè)量再做讀出，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，此新方法將誤差壓制到了 4.6%。
▲自旋電荷轉(zhuǎn)化原理及邏輯圖
另外，該研究確定性地證明了紅外光通過(guò)單光子過(guò)程電離 NV - 激發(fā)態(tài)。同時(shí)，研究提供了支持光電離模型的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并且與目前部分第一性原理模型預(yù)測(cè)截然不同，可以為相關(guān)理論提供實(shí)驗(yàn)修正參考。
除此之外，新方法可以與光學(xué)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(cè)量方面具有重要應(yīng)用。進(jìn)一步提升紅外光電離速率，有望突破量子比特讀出的容錯(cuò)閾值。結(jié)合單電子晶體管讀出技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)光電集成化的量子芯片。紅外波段對(duì)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(cè)效率。
該研究成果于近日在《自然 - 通訊》上發(fā)表。中國(guó)科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(guó)家自然科學(xué)基金委、中國(guó)科學(xué)院和安徽省的資助。
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