中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)實現(xiàn)固態(tài)單自旋最優(yōu)化投影測量
http://ehavn.com　 2024年12月16日　 來源：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
　　中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室在量子信息處理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于費舍爾信息提出一種分析量子系統(tǒng)讀出保真度的通用理論框架和最優(yōu)讀出方法，并在單個固態(tài)自旋系統(tǒng)中完成實驗驗證。這項研究成果以“Optimal repetitive readout of single solid-state spins determined by Fisher information”為題，于12月6日在線發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上。

　　量子比特的投影測量是量子信息處理，尤其是容錯量子計算中的核心技術(shù)。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，投影測量已在超導(dǎo)電路、離子阱、量子點和固態(tài)缺陷等多種物理系統(tǒng)中成功實現(xiàn)。典型的投影測量采用閾值法，通過預(yù)設(shè)閾值區(qū)分兩種狀態(tài)。然而，這種閾值方法未能有效利用光子到達(dá)的時間信息，從而影響了讀出保真度。近年來，許多研究嘗試通過考慮時間信息來提高讀出保真度和速度，但大多數(shù)研究主要集中在模型推導(dǎo)和數(shù)值模擬，缺乏充分的實驗驗證。此外，盡管機器學(xué)習(xí)等方法也被應(yīng)用于挖掘光子到達(dá)時間中的隱含信息，但在提高保真度方面的效果并不顯著，且缺乏嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚摻忉尅?br>
　　為全面解決上述問題，本研究團隊利用統(tǒng)計學(xué)上的費舍爾信息這一理論工具分析讀出保真度的理論上限，從而避免了在缺乏堅實理論基礎(chǔ)的情況下進(jìn)行盲目嘗試。研究團隊采用基于最大似然估計的量子態(tài)判別方法，并通過金剛石中氮-空位（NV）色心實驗驗證了該方法的有效性。

　　實驗結(jié)果表明，對于核自旋態(tài)的讀出，基于最大似然估計的判別方法相較于閾值法成功實現(xiàn)33.8（1.2）%的錯誤率降低，將核自旋態(tài)的讀出保真度提高至99.649（5）%。該方法不僅在核自旋的投影測量中取得成功，還在NV色心的電荷態(tài)讀取中得到驗證，顯示出該方法的普適性。該工作還探討了費舍爾信息界限的可到達(dá)性，證明在特定條件下，最大似然估計方法能夠?qū)崿F(xiàn)費舍爾信息所限制的讀出錯誤下界。

　　本文研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有實驗設(shè)備的基礎(chǔ)上，充分利用時間信息可以提高讀出保真度，而無需進(jìn)行復(fù)雜的硬件升級。本研究所提出的方法和理論框架具有普適性，不僅可應(yīng)用于固態(tài)自旋體系，還可以擴展至超導(dǎo)電路、離子阱、中性原子和量子點等其他量子系統(tǒng)以提升讀出保真度，具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　中國科學(xué)院微觀磁共振重點實驗室博士后趙致遠(yuǎn)與博士研究生徐韶亦為共同第一作者，杜江峰院士、石發(fā)展教授、謝天宇特任副研究員為共同通訊作者。此項研究得到國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、科技部、安徽省等資助。

　　論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adp9228

　�。ㄖ袊茖W(xué)院微觀磁共振重點實驗室、物理學(xué)院、中國科學(xué)院量子信息和量子科技創(chuàng)新研究院、科研部）
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