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中科大研发高保真量子比特读出方法,让量子态信息转移到电荷上

olivia chan

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日前,中国科学技术大学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。该研究成果发表在近期的《自然-通讯》上。

量子计算的下一个重要里程碑是可容错量子计算,但这要求量子比特读出等环节的保真度超越容错阈值。近年来,共振荧光法被广泛用于诸多固态自选体系的量子比特读出,如金刚石色心等。目前金刚石色心电子自旋的单枪读数依赖于低温下的共振荧光法。然而,自旋翻转过程中断了光学循环转换,因此,限制了读出的保真度。通俗来说,就是现有的量子比特读出手段过于粗暴,容易破坏量子比特的状态,造成读出误差。

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(自选电荷转换读取原理,图片摘自论文)

中科大微观磁共振重点实验室的研究人员引入了一种由近红外光辅助的自旋到电荷的转换方法来抑制自旋翻转误差。这种方法利用了低温共振激发的高自旋选择性和光离子化的灵活性,可以实现在高应变和快速自旋翻转过程的情况下,金刚石色心电子自旋的单枪读出的总体保真度>95%。随着进一步的改进,该技术有可能实现超过容错阈值的自旋读出保真度,也可能在集成光电器件上找到应用。

不同于以往的方法需要精心设计来提高发射率和光子收集效率,研究提出的方法只需要一个额外的近红外光束。通过直接控制近红外功率,上述计算表明,近红外辅助SCC是一种实验上可行的方法,可以实现超过容错阈值的自旋读出。

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。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。

论文链接:

https://doi.org/10.1038/s41467-021-21781-5


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