量子存储，难题有解

本文由半导体产业纵横（ID：ICVIEWS）编译自scitechdaily

开启实用量子计算的新途径。

加州理工学院的科学家发明了一种混合量子存储器，可以将电信息转换成声音，使量子态的持续时间比标准超导系统长30 倍。

量子比特vs. 经典比特

传统计算机依赖于比特（bit），即信息的基本单位，其值只能是 0 或 1，而量子计算机则依靠量子比特（qubit）运行。与普通比特不同，量子比特可以同时以 0 和 1 的形式存在。这种不寻常的行为，即所谓的叠加态量子物理效应，赋予了量子计算非凡的潜力，能够解决传统机器无法解决的问题。

当今大多数量子计算机都基于超导电子系统构建，电子在极低温度下可以无阻力地移动。在这些系统中，精心设计的谐振器使电子能够形成超导量子比特。这些量子比特擅长执行快速、复杂的运算，但并不适合长期存储。以量子态（特定量子系统的数学描述）的形式保存信息仍然是一项重大挑战。为了解决这个问题，研究人员一直致力于创建“量子存储器”，使其能够比标准超导量子比特保存更长时间的量子信息。

扫描电子显微镜图像突出显示了新研究中的单个机械振荡器“音叉”。图像中伪彩色的金色线条表示在超导量子比特和机械振荡器之间传输电信号的电极位置。来源：Omid Golami

利用声音扩展量子记忆

加州理工学院的一个团队如今开发出一种新的混合方法来扩展量子存储器。通过将电信号转换为声音，他们使超导量子比特的量子态保持稳定的时间比之前的方法延长了30倍。

这项研究由研究生Alkim Bozkurt 和 Omid Golami 领导，在电气工程和应用物理学助理教授 Mohammad Mirhosseini 的指导下，发表在《自然物理学》杂志上。

“一旦你有了量子态，你可能并不想立即用它做任何事情，”米尔霍塞尼说。“当你想进行逻辑运算时，你需要一种方法来回到它。为此，你需要一个量子存储器。”

利用声音进行量子存储

此前，Mirhosseini 团队已证明，声音，特别是声子（它们是振动的单个粒子，就像光子是光的单个粒子一样）可以提供一种便捷的量子信息存储方法。他们在经典实验中测试的设备似乎非常适合与超导量子比特配对，因为它们工作在同样极高的千兆赫兹频率下（人类的听力在赫兹和千赫兹频率下至少要慢一百万倍）。它们在超导量子比特保存量子态所需的低温下也表现良好，并且寿命很长。

如今，米尔霍塞尼和他的同事们在芯片上制造了一个超导量子比特，并将其连接到一个被科学家称为机械振荡器的微型装置上。该振荡器本质上是一个微型音叉，由柔性板组成，这些板在千兆赫频率的声波作用下振动。当电荷被施加到这些板上时，这些板可以与携带量子信息的电信号相互作用。这使得信息能够被传输到该装置中，作为“存储器”存储，之后再被传输出去，或者说被“记住”。

存储时间远超预期

研究人员仔细测量了信息进入设备后，振荡器需要多长时间才能失去其宝贵的量子信息。“事实证明，这些振荡器的寿命比目前最好的超导量子比特长约30倍，”米尔霍塞尼说。

这种构建量子存储器的方法相比以往的策略具有诸多优势。声波的传播速度远慢于电磁波，因此可以制造出更紧凑的设备。此外，与电磁波不同，机械振动不会在自由空间中传播，这意味着能量不会从系统中泄漏。这可以延长存储时间，并减少相邻设备之间不必要的能量交换。这些优势表明，单个芯片中可以集成多个这样的音叉，从而提供一种潜在的可扩展的量子存储器制造方法。

前进的道路

Mirhosseini 表示，这项工作证明了探测该混合系统作为存储元件的价值所需的电磁波和声波之间的最小相互作用量。“要使该平台真正用于量子计算，你需要能够以更快的速度将量子数据输入系统并输出。这意味着我们必须找到方法，将相互作用速率提高到现有系统的三到十倍，”Mirhosseini 说。幸运的是，他的团队对如何实现这一目标已经有了想法。

参考文献：Alkım B. Bozkurt、Omid Golami、Yue Yu、Hao Tian 和 Mohammad Mirhosseini 合著的《微波光子的机械量子存储器》，2025年8月13日，《自然物理》。DOI：10.1038/s41567-025-02975-w

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