中國科大在量子信息處理領域獲重要進展

記者12月17日從中國科大獲悉，中國科學技術大學中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰院士、石發展教授、謝天宇特任副研究員在量子信息處理領域取得重要進展，基於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，並在單個固態自旋系統中完成實驗驗證。這項研究成果近日在線發表於《科學進展》。

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。隨着量子技術的不斷髮展，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。典型的投影測量採用閾值法，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，儘管機器學習等方法也被應用於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並不顯著，且缺乏嚴謹的理論解釋。

爲全面解決上述問題，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。研究團隊採用基於最大似然估計的量子態判別方法，並通過金剛石中氮-空位（NV）色心實驗驗證了該方法的有效性。

實驗結果表明，對於核自旋態的讀出，相較於閾值法，基於最大似然估計的判別方法成功實現33.8%的錯誤率降低，將核自旋態的讀出保真度提高至99.649%。該方法不僅在覈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。

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。研究所提出的方法和理論框架具有普適性，不僅可應用於固態自旋體系，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。（記者　汪喬）