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。该研究成果以"High-fidelity single-shot readout of single electron spin in diamond with spin-to-charge conversion"为题，发表在近期的《自然-通讯》上[Nature Communications 12, 1529 (2021)]。

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。在先前工作中，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[Nat. Commun. 6, 8748 (2015)]，保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录。在本工作中，该团队瞄准了高保真度量子比特读出这一目标。

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，或者更技术地讲，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”。在微观世界里，事情就没这么容易了。测量伊始，量子比特首先会发生0+1叠加态的坍缩。所谓读出，就是测量比特到底坍缩到了0态还是1态。但是量子比特太脆弱，我们通常的读出手段对它们来说还是有些粗暴，哪怕是几个光子打上去都可能造成0和1态之间的翻转，最终造成读出误差。实现高保真度的量子比特读出，要求测量对系统的扰动尽量微小，在量子比特状态被破坏之前得到高质量信号。

自旋电荷转化原理及逻辑图

共振荧光法被广泛应用于诸多固态自旋体系的量子比特读出，如金刚石色心、量子点和固体中的稀土离子等。其主要原理如能级图中所示，只有自旋处于0态时会被共振光激发，随后发出荧光信号。但是在实际体系中，普遍存在自旋翻转过程，造成信号还没积累好，量子比特的状态先被“读坏”了，严重限制了读出保真度。为了抵抗自旋翻转过程带来的误差，通常思路是增强荧光信号，赶在自旋态破坏之前获取足够信噪比，如加工固态浸没透镜、纳米柱、光学微腔等微纳结构。为了保证器件产率，上述方法需要非常精细的微纳工艺，但是微纳加工经常会引入额外的应变、表面缺陷等，反而引起自旋翻转加速和谱线跳动。

既然自旋态不耐读，能不能把它先替换成皮实、耐读的观测量，再做读出？在本工作里，研究人员从上述思路出发，首先比较了在光读出下电荷态和自旋态的寿命，发现电荷态稳定性比自旋态高5个数量级，在实验中实现了保真度高达99.96%的电荷态非破坏测量。接着，通过引入红外光（1064 nm）诱导的激发态电离通道，将自旋的0和1分别对应地转化成电荷的“电中性”和“带负电”两种状态，进而通过读出电荷态实现对自旋态的读出。实验结果显示，在自旋翻转过程严重的NV色心上，传统共振荧光方法误差为20.1%，而新方法将误差压制到了4.6%。

另外，该工作确定性地证明了红外光通过单光子过程电离NV^-激发态。2013年以来，关于1064nm波长的红外光抑制NV色心荧光的物理机制存在争议，光热、受激辐射、暗能带、光电离等多种模型被提出。本工作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。

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。

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。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-21781-5

（中国科学院微观磁共振重点实验室、物理学院、合肥微尺度物质科学国家研究中心、中国科学院量子信息和量子科技创新研究院、科研部）