【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)中國科學(xué)院微觀磁共振重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在量子信息處理領(lǐng)域取得重要進(jìn)展，基于費(fèi)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(gè)固態(tài)自旋系統(tǒng)中完成實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。這項(xiàng)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(cè)量是量子信息處理，尤其是容錯(cuò)量子計(jì)算中的核心技術(shù)。隨著量子技術(shù)的不斷發(fā)展，投影測(cè)量已在超導(dǎo)電路、離子阱、量子點(diǎn)和固態(tài)缺陷等多種物理系統(tǒng)中成功實(shí)現(xiàn)。典型的投影測(cè)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。此外，盡管機(jī)器學(xué)習(xí)等方法也被應(yīng)用于挖掘光子到達(dá)時(shí)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 /> 

　　圖1：金剛石中NV色心及投影測(cè)量。(A)金剛石NV色心及其附近核自旋的示意圖；(B)13C核自旋的讀出序列及結(jié)果。每個(gè)事件均為M=1300次循環(huán)的求和結(jié)果，通過閾值判斷核自旋狀態(tài)；(C) NV色心附近13C核自旋的讀出結(jié)果。下方子圖展示了上方圖中第一個(gè)點(diǎn)的原始數(shù)據(jù)。

 

　　為全面解決上述問題，本研究團(tuán)隊(duì)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)上的費(fèi)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(jiān)實(shí)理論基礎(chǔ)的情況下進(jìn)行盲目嘗試。研究團(tuán)隊(duì)采用基于最大似然估計(jì)的量子態(tài)判別方法，并通過金剛石中氮-空位(NV)色心實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的有效性。
 

　　實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于核自旋態(tài)的讀出，基于最大似然估計(jì)的判別方法相較于閾值法成功實(shí)現(xiàn)33.8(1.2)%的錯(cuò)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(cè)量中取得成功，還在NV色心的電荷態(tài)讀取中得到驗(yàn)證，顯示出該方法的普適性。該工作還探討了費(fèi)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(jì)方法能夠?qū)崿F(xiàn)費(fèi)舍爾信息所限制的讀出錯(cuò)誤下界。
 

　　圖2：NV色心附近13C核自旋的投影測(cè)量錯(cuò)誤。(A)使用閾值(TH)方法和最大似然估計(jì)(ML)方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理的流程。(B)不同方法讀出錯(cuò)誤的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。橫軸表示讀出循環(huán)的次數(shù)，對(duì)于TH方法，讀出次數(shù)過多會(huì)因狀態(tài)翻轉(zhuǎn)導(dǎo)致誤差增加。

 

　　本文研究結(jié)果表明，在現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)設(shè)備的基礎(chǔ)上，充分利用時(shí)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(jí)。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(kuò)展至超導(dǎo)電路、離子阱、中性原子和量子點(diǎn)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(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(xiàng)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。