中国科大实现固态单自旋最优化投影测量
中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室正在量子信息处置惩罚范畴取患上重要进展,基于费舍尔信息提出一种阐发量子体系读出保真度的通用实践框架以及最优读出要领,并正在单个固态自旋体系中实现试验验证。这项研究结果以“Optimal repetitive readout of single solid-state spins determined by Fisher information”为题,于12月6日正在线颁发正在《迷信进展》(Science Advances)上。量子比特的投影丈量是量子信息处置惩罚,尤为是容错量子计较中的焦点技能。跟着量子技能的一直成长,投影丈量已正在超导电路、离子阱、量子点以及固态缺陷等多种物理体系中胜利完成。典型的投影丈量采纳阈值法,经由过程预设阈值区别两种状况。然而,这类阈值要领未能有用哄骗光子达到的时间信息,从而影响了读出保真度。最近几年来,很多研究测验考试经由过程思量时间信息来普及读出保真度以及速率,但年夜大都研究首要集中正在模子推导以及数值摹拟,缺乏充实的试验验证。此外,只管机械进修等要领也被使用于开掘光子达到时间中的隐含信息,但正在普及保真度方面的效果其实不显著,且缺乏谨严的实践诠释。
中国迷信技能年夜学中国迷信院宏观磁共振重点试验室正在量子信息处置惩罚范畴取患上重要进展,基于费舍尔信息提出一种阐发量子体系读出保真度的通用实践框架以及最优读出要领,并正在单个固态自旋体系中实现试验验证。这项研究结果以“Optimal repetitive readout of single solid-state spins determined by Fisher information”为题,于12月6日正在线颁发正在《迷信进展》(Science Advances)上。
量子比特的投影丈量是量子信息处置惩罚,尤为是容错量子计较中的焦点技能。跟着量子技能的一直成长,投影丈量已正在超导电路、离子阱、量子点以及固态缺陷等多种物理体系中胜利完成。典型的投影丈量采纳阈值法,经由过程预设阈值区别两种状况。然而,这类阈值要领未能有用哄骗光子达到的时间信息,从而影响了读出保真度。最近几年来,很多研究测验考试经由过程思量时间信息来普及读出保真度以及速率,但年夜大都研究首要集中正在模子推导以及数值摹拟,缺乏充实的试验验证。此外,只管机械进修等要领也被使用于开掘光子达到时间中的隐含信息,但正在普及保真度方面的效果其实不显著,且缺乏谨严的实践诠释。
图1:金刚石中NV色心及投影丈量。(A)金刚石NV色心及其相近核自旋的示用意;(B)13C核自旋的读出序列及成果。每一个事务均为M=1300次轮回的乞降成果,经由过程阈值断定核自旋状况;(C) NV色心相近13C核自旋的读出成果。下方子图展示了上方图中第一个点的原始数据。
为周全解决上述问题,本研究团队哄骗统计学上的费舍尔信息这一实践东西阐发读出保真度的实践下限,从而防止了正在缺乏松软实践根蒂根基的环境下举行盲目测验考试。研究团队采纳基于最年夜似然预计的量子态鉴别要领,并经由过程金刚石中氮-空位(NV)色心试验验证了该要领的有用性。
试验成果标明,关于核自旋态的读出,基于最年夜似然预计的鉴别要领相较于阈值法胜利完成33.8(1.2)%的不对率升高,将核自旋态的读出保真度普及至99.649(5)%。该要领不只正在核自旋的投影丈量中取患上胜利,还正在NV色心的电荷态读取中获得验证,显示出该要领的普适性。该事情还切磋了费舍尔信息边界的可达到性,证实正在特定前提下,最年夜似然预计要领可以或许完成费舍尔信息所限定的读堕落误下界。
图2:NV色心相近13C核自旋的投影丈量不对。(A)应用阈值(TH)要领以及最年夜似然预计(ML)要领举行数据处置惩罚的流程。(B)没有同要领读堕落误的试验成果。横轴表现读出轮回的次数,关于TH要领,读出次数过多会因状况翻转招致误差增长。
本文研究成果标明,正在现有试验设备的根蒂根基上,充实哄骗时间信息可以普及读出保真度,而无需举行庞大的硬件进级。本研究所提出的要领以及实践框架具备普适性,不只可使用于固态自旋系统,还可以扩大至超导电路、离子阱、中性原子以及量子点等其余量子体系以晋升读出保真度,具备普遍的使用远景。
中国迷信院宏观磁共振重点试验室博士后赵致远与博士研究生徐韶亦为配合第一作者,杜江峰院士、石成长传授、谢天宇特任副研究员为配合通信作者。此项研究获得国度天然迷信基金委、中国迷信院、科技部、安徽省等赞助。