新型量子比特读出方法问世 实现高保真度量子比特读出

2021年03月24日 02:08 次阅读 稿源:C114中国通信网 条评论

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。据悉,在此前的研究中,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,保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录。

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近日,从中国科大获悉,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。

在日常生活中,我们若是一时看不清纸上的字,只需要多看一眼,即增加测量时间,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”;而在微观世界,测量时,量子比特非常脆弱,其状态极易被破坏,严重限制了读出保真度。

为抵抗自旋翻转过程带来的误差以及保证器件产率,中国科大研究团队将不耐读的自旋态替换成皮实、耐读的观测量再做读出,实验结果显示,此新方法将误差压制到了4.6%。


自旋电荷转化原理及逻辑图

另外,该研究确定性地证明了红外光通过单光子过程电离NV-激发态。同时,研究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。

除此之外,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。

该研究成果于近日在《自然-通讯》上发表。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。

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