中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室在量子信息處理領域取得重要進展，基于費舍爾信息提出一種分析量子系統讀出保真度的通用理論框架和最優讀出方法，并在單個固態自旋系統中完成實驗驗證。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日在線發表在《科學進展》(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。隨著量子技術的不斷發展，投影測量已在超導電路、離子阱、量子點和固態缺陷等多種物理系統中成功實現。典型的投影測量采用閾值法，通過預設閾值區分兩種狀態。然而，這種閾值方法未能有效利用光子到達的時間信息，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，但大多數研究主要集中在模型推導和數值模擬，缺乏充分的實驗驗證。此外，盡管機器學習等方法也被應用于挖掘光子到達時間中的隱含信息，但在提高保真度方面的效果并不顯著，且缺乏嚴謹的理論解釋。
 

　　圖1：金剛石中NV色心及投影測量。(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果。每個事件均為M=1300次循環的求和結果，通過閾值判斷核自旋狀態；(C) NV色心附近13C核自旋的讀出結果。下方子圖展示了上方圖中第一個點的原始數據。

 

　　為全面解決上述問題，本研究團隊利用統計學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的情況下進行盲目嘗試。研究團隊采用基于最大似然估計的量子態判別方法，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。
 

　　實驗結果表明，對于核自旋態的讀出，基于最大似然估計的判別方法相較于閾值法成功實現33.8(1.2)%的錯誤率降低，將核自旋態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性，證明在特定條件下，最大似然估計方法能夠實現費舍爾信息所限制的讀出錯誤下界。
 

　　圖2：NV色心附近13C核自旋的投影測量錯誤。(A)使用閾值(TH)方法和最大似然估計(ML)方法進行數據處理的流程。(B)不同方法讀出錯誤的實驗結果。橫軸表示讀出循環的次數，對于TH方法，讀出次數過多會因狀態翻轉導致誤差增加。

 

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

　　中國科學院微觀磁共振重點實驗室博士后趙致遠與博士研究生徐韶亦為共同第一作者，杜江峰院士、石發展教授、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基金委、中國科學院、科技部、安徽省等資助。