中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人在高保真度量子比特讀出方面取得重要進展，提出了不同於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。該研究成果以“High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion”為題，發表在近期的《自然-通訊》上[Nature Communications 12，1529（2021）]。
量子計算發展到今天，在某些特定問題上已經初步展示了對經典電腦的量子優越性。下一階段的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。在先前工作中，中國科大杜江峰團隊基於金剛石氮-空位（NV）色心實現了突破容錯閾值的高保真度量子邏輯門[Nat. Commun. 6，8748（2015）]，保持著室溫固態體系量子邏輯門保真度的最高世界紀錄。在本工作中，該團隊瞄準了高保真度量子比特讀出這一目標。
日常生活中，我們若是一時看不清紙上的字，只需要多看一眼，或者更科技地講，新增量測時間，就能分辨出字形。這裡一個看起來很天然的前提是，無論我們盯著讀多久，紙上的字都不會被“讀壞”。在微觀世界裏，事情就沒這麼容易了。量測伊始，量子比特首先會發生0+1疊加態的坍縮。所謂讀出，就是量測比特到底坍縮到了0態還是1態。但是量子比特太脆弱，我們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，要求量測對系統的擾動儘量微小，在量子比特狀態被破壞之前得到高品質訊號。
自旋電荷轉化原理及邏輯圖
共振螢光法被廣泛應用於諸多固態自旋體系的量子比特讀出，如金剛石色心、量子點和固體中的稀土離子等。其主要原理如能級圖中所示，只有自旋處於0態時會被共振光激發，隨後發出螢光訊號。但是在實際體系中，普遍存在自旋翻轉過程，造成訊號還沒積累好，量子比特的狀態先被“讀壞”了，嚴重限制了讀出保真度。為了抵抗自旋翻轉過程帶來的誤差，通常思路是增强螢光訊號，趕在自旋態破壞之前獲取足够信噪比，如加工固態浸沒透鏡、納米柱、光學微腔等微納結構。為了保證器件產率，上述方法需要非常精細的微納工藝，但是微納加工經常會引入額外的應變、表面缺陷等，反而引起自旋翻轉加速和譜線跳動。
既然自旋態不耐讀，能不能把它先替換成皮實、耐讀的觀量測，再做讀出？在本工作裏，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%的電荷態非破壞量測。接著，通過引入紅外光（1064 nm）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，傳統共振螢光方法誤差為20.1%，而新方法將誤差壓制到了4.6%。
另外，該工作確定性地證明了紅外光通過單光子過程電離NV-激發態。2013年以來，關於1064nm波長的紅外光抑制NV色心螢光的物理機制存在爭議，光熱、受激輻射、暗能帶、光電離等多種模型被提出。本工作提供了支持光電離模型的關鍵實驗證據，並且與現時部分第一性原理模型預測截然不同，可以為相關理論提供實驗修正參攷。
新方法可以與光學結構等傳統手段相容，豐富了固態自旋的高保真度讀出工具箱，在量子資訊處理和量子精密量測方面具有重要應用。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。結合單電子電晶體讀出科技，可實現光電集成化的量子晶片。紅外波段對生物組織等樣品光損傷更小，該科技可大幅提升量子傳感探測效率。
中國科學院微觀磁共振重點實驗室的特任副研究員張琪、博士研究生郭宇航和博士後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、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。
論文連結：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21781-5
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