量子计算发展到今天，在某些特定问题上已经初步展示了对经典计算机的量子优越性。下一阶段的重要里程碑是可容错量子计算，其前提是量子逻辑门和量子比特读出等环节的保真度超越容错阈值。

据悉，在此前的研究中，中国科大杜江峰团队基于金刚石氮 - 空位（NV）色心实现了突破容错阈值的高保真度量子逻辑门，保持着室温固态体系量子逻辑门保真度的最高世界纪录。

近日，从中国科大获悉，该校中国科学院微观磁共振重点实验室杜江峰、王亚等人在高保真度量子比特读出方面取得重要进展，提出了不同于传统思路的新型自旋电荷转化方法，将 “脆弱”的自旋量子态信息转移到 “皮实”的电荷状态上，从而实现更高保真度的量子比特读出。

在日常生活中，我们若是一时看不清纸上的字，只需要多看一眼，即增加测量时间，就能分辨出字形。这里一个看起来很天然的前提是，无论我们盯着读多久，纸上的字都不会被 “读坏”；而在微观世界，测量时，量子比特非常脆弱，其状态极易被破坏，严重限制了读出保真度。

为抵抗自旋翻转过程带来的误差以及保证器件产率，中国科大研究团队将不耐读的自旋态替换成皮实、耐读的观测量再做读出，实验结果显示，此新方法将误差压制到了 %。

▲自旋电荷转化原理及逻辑图

另外，该研究确定性地证明了红外光通过单光子过程电离 NV - 激发态。同时，研究提供了支持光电离模型的关键实验证据，并且与目前部分第一性原理模型预测截然不同，可以为相关理论提供实验修正参考。

除此之外，新方法可以与光学结构等传统手段兼容，丰富了固态自旋的高保真度读出工具箱，在量子信息处理和量子精密测量方面具有重要应用。进一步提升红外光电离速率，有望突破量子比特读出的容错阈值。结合单电子晶体管读出技术，可实现光电集成化的量子芯片。红外波段对生物组织等样品光损伤更小，该技术可大幅提升量子传感探测效率。

该研究成果于近日在《自然 - 通讯》上发表。中国科学院微观磁共振重点实验室的特任副研究员张琪、博士研究生郭宇航和博士后研究员季文韬为该文共同第一作者，杜江峰教授和王亚教授为共同通讯作者。该研究得到了科技部、国家自然科学基金委、中国科学院和安徽省的资助。