量子計算髮展到今天，在某些特定問題上已經初步展示了對經典計算機的量子優越性。下一階段的重要里程碑是可容錯量子計算，其前提是量子邏輯閘和量子位元讀出等環節的保真度超越容錯閾值。

據悉，在此前的研究中，中國科大杜江峰團隊基於金剛石氮 - 空位（NV）色心實現了突破容錯閾值的高保真度量子邏輯閘，保持著室溫固態體系量子邏輯閘保真度的最高世界紀錄。

近日，從中國科大獲悉，該校中國科學院微觀磁共振重點實驗室杜江峰、王亞等人在高保真度量子位元讀出方面取得重要進展，提出了不同於傳統思路的新型自旋電荷轉化方法，將 “脆弱”的自旋量子態資訊轉移到 “皮實”的電荷狀態上，從而實現更高保真度的量子位元讀出。

在日常生活中，我們若是一時看不清紙上的字，只需要多看一眼，即增加測量時間，就能分辨出字形。這裡一個看起來很天然的前提是，無論我們盯著讀多久，紙上的字都不會被 “讀壞”；而在微觀世界，測量時，量子位元非常脆弱，其狀態極易被破壞，嚴重限制了讀出保真度。

為抵抗自旋翻轉過程帶來的誤差以及保證器件產率，中國科大研究團隊將不耐讀的自旋態替換成皮實、耐讀的觀測量再做讀出，實驗結果顯示，此新方法將誤差壓制到了 4.6%。

▲自旋電荷轉化原理及邏輯圖

另外，該研究確定性地證明了紅外光通過單光子過程電離 NV - 激發態。同時，研究提供了支援光電離模型的關鍵實驗證據，並且與目前部分第一性原理模型預測截然不同，可以為相關理論提供實驗修正參考。

除此之外，新方法可以與光學結構等傳統手段相容，豐富了固態自旋的高保真度讀出工具箱，在量子資訊處理和量子精密測量方面具有重要應用。進一步提升紅外光電離速率，有望突破量子位元讀出的容錯閾值。結合單電子電晶體讀出技術，可實現光電整合化的量子晶片。紅外波段對生物組織等樣品光損傷更小，該技術可大幅提升量子感測探測效率。

該研究成果於近日在《自然 - 通訊》上發表。中國科學院微觀磁共振重點實驗室的特任副研究員張琪、博士研究生郭宇航和博士後研究員季文韜為該文共同第一作者，杜江峰教授和王亞教授為共同通訊作者。該研究得到了科技部、國家自然科學基金委、中國科學院和安徽省的資助。