中电路测量与非破坏读出｜中性原子量子计算知识库

中电路测量的本质是"只对一部分量子比特打开熵的出口"：把待测 ancilla 暴露给探测光，同时用空间分离、能级搁置或隐藏光移把 data 比特护住——腔增强读出把这个循环压到微秒–百微秒量级，种内搁置与窄线成像让单一元素阵列也能重复读出，快速前馈则把测量结果实时接回电路。

问题背景

纠错与 many-body 测量要求在电路执行中途读出部分量子比特（ancilla），而保持其余 data 比特的量子态。中性原子的标准读出——共振荧光成像——天生不满足这一点：一是全局性，近共振光会散射到邻近比特；二是破坏性，被测原子被加热/丢失，无法复用。可行的中电路读出需同时满足三个条件：快于系统退相干、高保真（表面码级应用要求约 1% 以下）、对未测比特非破坏 Deist 2022 Graham 2023。

防护 data 比特的策略可归为三类：空间分离（把待测原子移进腔模/读出区）、能级分离（把 data 搁置到对读出光透明的”暗态”或用光移移出共振，即 hiding）、物种分离（data 用第二种元素/同位素）。中性原子平台 2022–2026 年间的系列实验把这三条路线都打通了 Lis 2023 Norcia 2023。

按读出后的原子去向，还可区分破坏性读出（成像即丢失，如推除式读出）、非破坏读出（原子留在阱中可复用，如腔测与 NDSSR）与擦除检测（只问”是否仍在计算子空间”，见擦除转换）。中电路测量还顺带解锁两件事：条件补位（测到 ancilla 丢失就从原子库 refill）与连续装载（读出区之外持续补入新原子），这两者是阵列长期连续运行的前提 Norcia 2023。

理论模型

荧光读出的泊松计数模型

态敏感荧光是一次二假设检验：亮态与暗态的光子计数率分别为 $R_{1}, R_{0}$ ，探测时间 $τ$ 内计数服从泊松分布，均值 $n_{i} = R_{i} τ$ 。等先验、最优阈值下的判别错误概率近似为

P_{err} ≃ \frac{1}{2} erfc (\frac{n _{1} - n _{0}}{2}),

即保真度随”收集到的光子数差”指数改善——这解释了为什么腔增强（Purcell 增强、高效收集）能缩短读出：腔的宽侧收集效率使探测率 $R_{0} = η g_{0}^{2} /4 κ$ 接近理论极限，同时原子–腔杂化使亮态透过率按 $R_{low} / R_{high} = (1 + 2 C)^{- 2}$ （ $C$ 为合作度）下降，透射法读出即利用这一对比 Deist 2022。

非破坏性的量化

读出对 data 比特的伤害来自探测光的离共振散射，速率 $\propto Γ/ Δ_{eff}$ ：把 data 的相关跃迁光移失谐 $Δ_{eff}$ （隐藏/搁置）或拉开空间距离，即可把 Ramsey 对比度损失压到百分比以下。实验上用”归一化 Ramsey 对比度”（做一次中电路测量前后的干涉条纹对比度之比）作为非破坏性的统一判据 Deist 2022 Norcia 2023。隐藏光移本身还会给 data 比特留下一个可标定的 AC Stark 相位：NA156 测得该相移近似按 $1/ Δ_{h}$ 标度（系数 164(4) rad·MHz），可提前标定补偿，或用回波（成对图像间交换比特布居）使相移相消而非累加 Norcia 2023。

对擦除检测这一特例（只判”是否还在计算子空间”），关键指标是检测过程对存留比特的附加误差 $P_{d}$ ：它由曝光时间内的附加衰减与离共振散射组成，需压到 $1 0^{- 5}$ 量级才能匹配 $1 0^{- 3}$ 的门误差并真正提高条件化保真度 Ma 2023。

方法与实现

腔增强中电路测量（NA146， $^{87}$ Rb）。强耦合腔 ${g_{0}, κ, γ} /2 π = {2.7, 0.53, 3.0}$ MHz（束腰 20 μm），把单颗光镊原子平移进腔模后读出：荧光法两段 25 μs 探测（共 50 μs）对三态（空/亮/暗）的 SPAM 误差 $\leq 0.6%$ 、原子丢失 $\leq 1.4%$ ；透射法 105 μs 达到相当保真度。关键演示是双原子 Ramsey：对腔外 34.5 μm（荧光）/46.0 μm（透射）处的另一原子，中电路测量后归一化对比度 $> 97%$ ——单个原子的读出几乎不扰动同伴 Deist 2022。

单元素种内搁置（NA154，Cs）。data 比特经两步微波脉冲搁置到对读出光不共振的超精细–塞曼子能级，ancilla 用 chopped 陷阱光/读出光荧光成像，读出中以微波再抽运防暗态泄漏，data 用三脉冲回波维持相位相干。含中电路测量的量子过程保真度：原始 93.8(3)%，SPAM 修正后 97.0(5)%；ancilla 读出保真度（修正态制备后） $∣0 ⟩$ / $∣1 ⟩$ 分别 94.9(8)% / 95.3(1.1)%，ancilla 中电路读出用时 4 ms（末态占用读出为 30 ms）。文中讨论用四极再冷却与微波重置把该技术推向可重复的纠错循环 Graham 2023。

omg 架构（NA155， $^{171}$ Yb，48 位点）。同一原子提供三种编码：ground（ $^{1} S_{0}$ ）、metastable（ $^{3} P_{0}$ ）与 optical（钟跃迁叠加态）比特，单比特门保真度分别为 $F_{g} = 99.968 (3) %$ 、 $F_{m} = 99.12 (4) %$ 、 $F_{o} = 99.804 (8) %$ 。经 $S_{0} / S_{1}$ 搁置脉冲实现非破坏的自旋敏感探测，532 nm 光镊对钟跃迁做位点选择光移，使测量、自旋重置（光抽运）与运动重置（Raman 边带冷却）全部具备”中电路”性质：ancilla 原始测量误差 1.8(6)%，data 比特 4.5(1.0)%（其中分别含 1.0(2)%/2.0(2)% 的 SPAM），重置性能相当；亚稳态比特 $T_{2}^{*} = 7.2 (6)$ s Lis 2023。

隐藏光 + 窄线成像（NA156， $^{171}$ Yb）。用窄线跃迁成像 ancilla，同时对 data 位点施加光移把其移出成像光共振（hiding）：5 ms 成像下 data 单位点对比度损失仅 0.7(6)%（附 1.59(2) rad 可标定相位，可用回波抵消），ancilla 光子峰间隔 31–33，判别错误率低至 0.015%。基于测量结果做条件补位：阵列边缘嵌入原子库，测到 ancilla 位点丢失即从库中搬运补齐，填充率每轮下降仅 1.1(1)%，证明 ancilla 可复用；同时在旁边区域装载磁光阱（MOT）仅引入 0.03(2)/s 的退相干，指向”边运行边装料”的连续运行模式。本身可比的基准：data 比特系综相干时间 430(60) ms（回波后 3.3(2) s），测得的对比度损失主要来自成像光离共振散射与位点相位弥散 Norcia 2023。

非破坏态选择读出与快速前馈。NA171（Cs，逐比特寻址）用 852 nm 循环跃迁读出、交替开关陷阱光与读出光，实现非破坏态选择读出（NDSSR）：态平均丢失 0.9(3)%，可重复成像数十次（演示中连续 43 次 SPAM 测量）；以原子留存为条件，CZ 保真度从 99.35(4)% 提升到 99.73(3)%——丢失事件即擦除，可交由擦除转换处理。该平台的门速率由光学开关而非搬运决定：15 ms 电路中 AOD 波束转向 4800 次，平均 RZ 保真度 99.76%（最优 99.902(8)%）Radnaev 2025。 NA174（腔耦合并行多比特）把”测量 + 前馈”整循环压到 100 μs 以内：局部光移把 data 比特屏蔽出腔共振，近共振探针经 Purcell 增强读出选定比特，四比特中电路测量的错误低于 1%，第五个未测 data 比特的相干性损失小于 2%；实时前馈完成测量致相位补偿，并实现最优量子态判别的自适应线路与条件态制备。此前中性原子”测量 + 前馈”循环普遍超过 1 ms，腔路线把数量级压到了与里德堡门同尺度 Lee 2026。

三类中电路读出方案对比示意：腔模内读出（NA146）、搁置+荧光（NA154/NA155）、隐藏光+窄线成像（NA156）（图源：Deist 2022 Fig. 1）

参数与量级

平台 / 技术	关键指标	来源
腔荧光读出（Rb）	50 μs，SPAM 误差 $\leq 0.6%$ ，丢失 $\leq 1.4%$	Deist 2022
腔测量的非破坏性	34.5–46 μm 外 data 对比度保持 $> 97%$	Deist 2022
种内搁置（Cs）	过程保真度 97.0(5)%（SPAM 修正），ancilla 读出 $\sim 95%$	Graham 2023
omg 三态比特门	$F_{g} = 99.968 (3) %$ ， $F_{m} = 99.12 (4) %$ ， $F_{o} = 99.804 (8) %$	Lis 2023
omg 中电路测量误差	ancilla 1.8(6)%，data 4.5(1.0)%	Lis 2023
隐藏光中电路测量	data 单位点对比度损失 0.7(6)%，判别错误 0.015%	Norcia 2023
NDSSR（Cs）	丢失 0.9(3)%；CZ 99.35(4)% → 剔除丢失 99.73(3)%	Radnaev 2025
腔测 + 前馈整循环	$< 100 μ s$ ，测量错误 $< 1%$ ，data 相干损失 $< 2%$	Lee 2026

与其他概念的关系

中电路读出是擦除转换的执行层：衰减检测（快荧光/自电离）就是把”中电路测量”用在错误监测上；NDSSR 剔除原子丢失与擦除判据同源。
逻辑层面的测量与前馈（超导纠缠蒸馏、S 门修正）见逻辑量子处理器；测量型纠错的症状提取循环速度直接受本词条的循环时间限制，重型码的编译执行另见qLDPC 码架构与三比特门容错稳定子测量。
条件补位与连续装载依托原子重排与连续运行，是大规模阵列维持无缺陷阵列的前提；空间分离读出则与分区架构（存储/纠缠/读出分区）互为表里。
搁置所用的亚稳态与核自旋结构见碱土原子与核自旋量子比特；读出期间的光散射、反冲等噪声建模见误差预算与真实建模。
腔测量的硬件基础（腔 QED 与 Purcell 增强）与逐比特寻址的里德堡激发（里德堡阻塞）共同构成高速前馈的物理层；逻辑门之间的测量免除路线见免测量纠错。

参考文献

E. Deist, Y.-H. Lu, J. Ho, M. K. Pasha, J. Zeiher, Z. Yan, D. M. Stamper-Kurn, “Mid-Circuit Cavity Measurement in a Neutral Atom Array”, Phys. Rev. Lett. 129, 203602 (2022). NA146 · arXiv:2205.14138 · DOI 10.1103/PhysRevLett.129.203602
T. M. Graham, L. Phuttitarn, R. Chinnarasu, Y. Song, C. Poole, K. Jooya, J. Scott, A. Scott, P. Eichler, M. Saffman, “Midcircuit Measurements on a Single-Species Neutral Alkali Atom Quantum Processor”, Phys. Rev. X 13, 041051 (2023). NA154 · arXiv:2303.10051 · DOI 10.1103/PhysRevX.13.041051
J. W. Lis, A. Senoo, W. F. McGrew, F. Rönchen, A. Jenkins, A. M. Kaufman, “Midcircuit Operations Using the omg Architecture in Neutral Atom Arrays”, Phys. Rev. X 13, 041035 (2023). NA155 · arXiv:2305.19266 · DOI 10.1103/PhysRevX.13.041035
M. A. Norcia, W. B. Cairncross, K. Barnes, et al., “Midcircuit Qubit Measurement and Rearrangement in a $^{171}$ Yb Atomic Array”, Phys. Rev. X 13, 041034 (2023). NA156 · DOI 10.1103/PhysRevX.13.041034
A. G. Radnaev, W. C. Chung, D. C. Cole, et al., “A universal neutral-atom quantum computer with individual optical addressing and non-destructive readout”, PRX Quantum (2025). NA171 · arXiv:2408.08288 · DOI 10.1103/66s8-jj18
T.-C. Lee, J. Ho, Y.-H. Lu, T. Xiang, et al., “Rapid Cavity-Based Mid-Circuit Measurement and Feedforward in a Neutral Atom Array”, 预印本 (2026). NA174（本站仅有摘要级信息）

中性原子百科

探索

中电路测量与非破坏读出