迈向通用硅量子计算机SQC常温抗干扰自旋量子比特读出技术

　　澳大利亚硅量子计算公司（SiliconQuantumComputing，SQC）向通用量子计算迈出了重要一步。SQC的科学家开发了一种新方法，可以使自旋量子比特的关键读出阶段更快、更容易并且更不容易受到干扰。9月7日，研究成果以《用于鲁棒高保真自旋量子比特读出的斜坡测量技术》为题〔1〕，发表在《科学进展》上。
　　01hr量子比特读出，需减少环境噪声干扰
　　读出阶段是量子计算机解决问题过程中的第三个关键步骤。分为三个阶段：
　　设置初始化阶段将设备设置为准备好将问题编码到计算机中的精确状态。
　　计算量子比特相互作用的控制阶段，计算发生。
　　结果读出阶段需要仔细测量量子比特的最终状态，以确定结果或计算答案。最后阶段需要快速、准确和稳健，以使编码在量子比特中的结果不会漂移和出错。
　　然而，量子比特对其环境极为敏感，环境噪声会干扰它们的测量。
　　传统上，在测量量子比特自旋状态时，测量是基于恒定电信号是否发生变化。在SQC的新协议中，电信号是一个斜坡（ramp），测量依赖于信号何时发生变化。通过使用可变电压斜坡，读出现在对环境噪声具有鲁棒性，而无需进行耗时的校准。
　　这一结果进一步证明了SQC在其技术路线图上对纠错量子计算机的关注和进展。
　　SQC路线图
　　02hr斜坡自旋测量：在低场高温环境中实现高保真读出
　　迄今为止，已经开发了三种主要的单次读出过程：能量选择测量（ESM），时间选择测量（TSM），或通过第二个交换耦合的辅助量子比特使用泡利自旋封锁。在所有情况下，读出过程的保真度都受到系统温度的限制，必须保持在量子比特自旋态能量差以下。ESM依赖于量子比特状态在能量上的分离，提供了一个与状态有关的电荷转换；相反，TSM依靠的是对特定电荷转换具有不同隧穿率的量子比特状态。
　　此次实验中，团队展示了另一种测量技术斜坡自旋测量（RSM），它对高温低磁场操作具有弹性；与ESM相比，它可以更好地扩展到大量量子比特。RSM和ESM之间的根本区别是电子自旋态的隧穿率在协议期间随时间连续变化，而不是固定不变。团队实验证明，通过使用RSM，我们可以在测量时间EZ7kB内保持99的自旋读出保真度，这在时间上与ESM相当，但RSM技术可用于用于大约两倍于ESM的温度。
　　ESM和RSM技术的比较。a）ESM的电化学势示意图和相应的电压脉冲；b）在ESM期间，附近电荷传感器的相应信号。在读出阶段，自旋上升状态被检测为电荷传感器信号中的一个特征点。c）RSM的电化学势示意图。负载（黄色）和空（蓝色）阶段与ESM的相同。在读出阶段，电化学势是连续斜坡。D）RSM的相应电荷传感器信号。电荷传感器信号在某一阈值时间之前的突变表明自旋电子的存在。
　　比较不同的读出方法在达到指定的读出保真度时，可能出现的磁场与电子温度和读出时间的最小比率：RSM和优化调整的ESM可以在两倍的温度下达到与实用ESM（0）相同的保真度。
　　在实验装置中，团队通过优化的斜坡速率，最终在B1。5T（B0。8T）时获得了99。890。02（99。950。01）的基态到电荷转换可见度，电子温度为110mK；电子自旋态初始化实验中，斜坡时间小于100s在随机初始化时饱和，而斜坡时间大于10ms在初始化时饱和，初始化斜坡的中间时间尺度可用于实现任意旋转分数。
　　坡度自旋初始化协议的验证
　　03hr读出性能优势，有望扩展至大型量子比特系统
　　此次实验中，SQC团队提出并展示了一种用于半导体自旋量子比特的读出技术，该技术可以在低场高温环境中实现高读出保真度，并且对电噪声具有鲁棒性。读出协议是能量选择自旋读出和时间相关自旋读出的组合，并提供了优于ESM和TSM的许多实用优势。
　　最后，文章中表示〔2〕：RSM优于ESM的优势将允许简单的单次、低磁场测量，可以很容易地扩展到大型量子比特系统。
　　参考链接：
　　〔1〕https：www。science。orgdoi10。1126sciadv。abq0455
　　〔2〕http：sqc。com。au20220908sqcscientistsdevelopabetterwaytomeasurequbits