最新进展：两种方法同时改进硅自旋量子比特的读出

Original 光子盒研究院光子盒 2023-11-30

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光子盒研究院出品

量子计算机需要一种能够辨别其计算单元状态（即量子比特）的读出方法，一种理想的方法应该具备三个优点：1）能够快速读取信息，比量子比特失去其量子状态快得多；2）高保真度读取信息，保真度应在99%以上；3）读出传感器应该易于集成以提高计算机性能。

近日，英国剑桥大学、澳洲新南威尔士大学的两支研究团队分别发表论文，独立展示了他们在使用硅基电子自旋作为量子比特的计算机中提升量子比特读数性能的工作。

图 1剑桥（左）新南威尔士（右）

量子处理器中读出方法的三个关键指标分别是测量速度、保真度和占用空间。快速高保真度可实现中路测量，这是许多动态算法和量子纠错的必要功能，而占地面积小则有助于设计可扩展、高度链接的架构，从而提高计算性能。

来自剑桥大学的G.A.Oakes教授及其团队开发了一种紧凑型色散电荷传感器——“射频单电子盒”(radio-frequency single-electron box, SEB)。该传感器由一个量子点组成，由于与其耦合的电谐振器的振荡电场，该量子点周期性地与电荷库交换单个电子。这种交流电的大小和相位可以用作 SEB 静电环境的敏感探针，在我们的例子中是硅量子点中电子自旋量子比特的状态。

该传感器需要的电极不仅比传统检测器少，还在不到6微秒的时间内实现了最先进的自旋读出保真度99.2% ，时间尺度比电子自旋量子比特的典型相干时间短得多。此外，他们还开发了一个详细模型，突出了 SEB 最重要的技术参数。

论文链接：

https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.13.011023

半导体自旋量子比特设备是大规模量子计算机的候选者之一，它们使用的材料和纳米制造工艺在计算机芯片行业的几十年里得到了非常好的发展。

半导体量子比特（或量子比特）的纳米级尺寸有望将最终需要的数百万个量子比特封装到一个紧凑的芯片上。然而，如此小的量子比特尺寸带来了双重挑战，因为量子比特控制和读出所需的电路也必须是纳米级的，并且必须密集地封装在芯片上才能成为功能齐全的量子处理器。

来自新南威尔士大学的M.R.Hogg教授及其团队设计了一种原子级、基于门的传感器，它能够读出明显超过一个量子比特的数据。他们成功演示了保真度高达 95% 的三个量子比特的读出，并表明使用他们设计的传感器读取 15 个量子比特是可行的，与其相比，具有类似传感器性能的替代方法仅能读取 3-4 个量子比特。

M.R.Hogg教授表示，他们的工作展现了半导体量子处理器中量子比特读出的发展前景，其中紧凑型传感器的片上密度有潜力能再降低一个数量级。

原文链接：

PRX Quantum 4, 010319 (2023) - Single-Shot Readout of Multiple Donor Electron Spins with a Gate-Based Sensor (aps.org)

参考链接：

https://journals.aps.org/prxquantum/abstract/10.1103/PRXQuantum.4.010319

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