面向量子计算机，世界各国正在研究多种硬件候选技术，其中一种有力的候选方案是将单个电子限制在微小的半导体中（量子点），利用其自旋作为信息载体。在使用单个电子自旋的量子比特（自旋量子比特）时，通常是将自旋方向的信息转换为电荷有无的信息（自旋电荷转换），并通过检测这种电荷信息来实现自旋量子比特的读取的。此前的研究已经报告了多种自旋电荷的转换方式，并已实现了超过99%的高精度读取。然而，要实现高精度读取，对量子点所需的性能和操作环境有十分苛刻的要求，这已成为未来实际应用的一个主要限制因素。
九州大学研究生院系统信息科学研究院的木山治树副教授、大阪大学产业科学研究所的大岩显教授的研究团队对现有的自旋电荷转换方式——“单锁存法”进行了改良，设计了一种不依赖于自旋量子比特性能，且能够大幅降低读取误差的新型自旋电荷转换方法（双锁存法）。该研究成果已经发表在《npj Quantum Information》的网页版上。
图1 本研究中使用的GaAs双量子点电子显微镜照片。它还具备读取量子比特所需的电荷计量子点。（供图：九州大学）
研究团队将该方法应用于实际的量子点，实现了与迄今为止的世界最高精度相当的高精度读取。此外，既往读取方法在量子点大规模阵列中读取精度会下降，所以开发可用于大规模阵列中也能进行高精度读取的方法一直是一项挑战，但双锁存法即使在大规模阵列中也可以进行高精度的读取。举例来说，在单锁存法中，读取精度高度依赖于量子比特状态之间的能量差，某些器件的读取精度可能低于70%，而使用双锁存法后，无论什么样的器件，读取精度均可以大幅提升。
基于此次的成果，有望能促进半导体自旋量子比特大规模阵列的研发，并且在打造大规模半导体量子计算机方面取得进展。
今后，研究团队将把其应用于实际的中等规模量子点阵列中，对高度读取精度的保持情况进行实证检验。然后，还将扩展研究，探讨将该技术应用于更大规模阵列中，研究其与量子比特控制等其他基础技术的兼容性，力争在未来20～30年后实现半导体量子计算机。
原文：《科学新闻》
翻译：JST客观日本编辑部
【论文信息】
期刊：npj Quantum Information
论文：High-fidelity spin readout via the double latching mechanism
DOI：10.1038/s41534-024-00882-1
