帖子
勛章
關(guān)注
任務(wù)
中國科大研發(fā)新型量子比特讀出方法 量子計(jì)算發(fā)展到今天，在某些特定問題上已經(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和量子比特讀出等環(huán)節(jié)的保真度超越容錯(cuò)閾值。在先前工作中，中國科大杜江峰團(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[Nat. Commun. 6, 8748 (2015)]，保持著室溫固態(tài)體系量子邏輯門保真度的最高世界紀(jì)錄。在本工作中，該團(tuán)隊(duì)瞄準(zhǔn)了高保真度量子比特讀出這一目標(biāo)。 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，或者更技術(shù)地講，增加測(cè)量時(shí)間，就能分辨出字形。這里一個(gè)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(huì)被“讀壞”。在微觀世界里，事情就沒這么容易了。測(cè)量伊始，量子比特首先會(huì)發(fā)生0+1疊加態(tài)的坍縮。所謂讀出，就是測(cè)量比特到底坍縮到了0態(tài)還是1態(tài)。但是量子比特太脆弱，我們通常的讀出手段對(duì)它們來說還是有些粗暴，哪怕是幾個(gè)光子打上去都可能造成0和1態(tài)之間的翻轉(zhuǎn)，最終造成讀出誤差。實(shí)現(xiàn)高保真度的量子比特讀出，要求測(cè)量對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)盡量微小，在量子比特狀態(tài)被破壞之前得到高質(zhì)量信號(hào)。  自旋電荷轉(zhuǎn)化原理及邏輯圖 共振熒光法被廣泛應(yīng)用于諸多固態(tài)自旋體系的量子比特讀出，如金剛石色心、量子點(diǎn)和固體中的稀土離子等。其主要原理如能級(jí)圖中所示，只有自旋處于0態(tài)時(shí)會(huì)被共振光激發(fā)，隨后發(fā)出熒光信號(hào)。但是在實(shí)際體系中，普遍存在自旋翻轉(zhuǎn)過程，造成信號(hào)還沒積累好，量子比特的狀態(tài)先被“讀壞”了，嚴(yán)重限制了讀出保真度。為了抵抗自旋翻轉(zhuǎn)過程帶來的誤差，通常思路是增強(qiáng)熒光信號(hào)，趕在自旋態(tài)破壞之前獲取足夠信噪比，如加工固態(tài)浸沒透鏡、納米柱、光學(xué)微腔等微納結(jié)構(gòu)。為了保證器件產(chǎn)率，上述方法需要非常精細(xì)的微納工藝，但是微納加工經(jīng)常會(huì)引入額外的應(yīng)變、表面缺陷等，反而引起自旋翻轉(zhuǎn)加速和譜線跳動(dòng)。 既然自旋態(tài)不耐讀，能不能把它先替換成皮實(shí)、耐讀的觀測(cè)量，再做讀出？在本工作里，研究人員從上述思路出發(fā)，首先比較了在光讀出下電荷態(tài)和自旋態(tài)的壽命，發(fā)現(xiàn)電荷態(tài)穩(wěn)定性比自旋態(tài)高5個(gè)數(shù)量級(jí)，在實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了保真度高達(dá)99.96%的電荷態(tài)非破壞測(cè)量。接著，通過引入紅外光（1064 nm）誘導(dǎo)的激發(fā)態(tài)電離通道，將自旋的0和1分別對(duì)應(yīng)地轉(zhuǎn)化成電荷的“電中性”和“帶負(fù)電”兩種狀態(tài)，進(jìn)而通過讀出電荷態(tài)實(shí)現(xiàn)對(duì)自旋態(tài)的讀出。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在自旋翻轉(zhuǎn)過程嚴(yán)重的NV色心上，傳統(tǒng)共振熒光方法誤差為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(fā)態(tài)。2013年以來，關(guān)于1064nm波長的紅外光抑制NV色心熒光的物理機(jī)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(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。 |
