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開啟實用量子計算的新途徑。

加州理工學院的科學家發(fā)明了一種混合量子存儲器，可以將電信息轉(zhuǎn)換成聲音，使量子態(tài)的持續(xù)時間比標準超導系統(tǒng)長30 倍。

量子比特vs. 經(jīng)典比特

傳統(tǒng)計算機依賴于比特（bit），即信息的基本單位，其值只能是 0 或 1，而量子計算機則依靠量子比特（qubit）運行。與普通比特不同，量子比特可以同時以 0 和 1 的形式存在。這種不尋常的行為，即所謂的疊加態(tài)量子物理效應，賦予了量子計算非凡的潛力，能夠解決傳統(tǒng)機器無法解決的問題。

當今大多數(shù)量子計算機都基于超導電子系統(tǒng)構(gòu)建，電子在極低溫度下可以無阻力地移動。在這些系統(tǒng)中，精心設計的諧振器使電子能夠形成超導量子比特。這些量子比特擅長執(zhí)行快速、復雜的運算，但并不適合長期存儲。以量子態(tài)（特定量子系統(tǒng)的數(shù)學描述）的形式保存信息仍然是一項重大挑戰(zhàn)。為了解決這個問題，研究人員一直致力于創(chuàng)建“量子存儲器”，使其能夠比標準超導量子比特保存更長時間的量子信息。

掃描電子顯微鏡圖像突出顯示了新研究中的單個機械振蕩器“音叉”。圖像中偽彩色的金色線條表示在超導量子比特和機械振蕩器之間傳輸電信號的電極位置。來源：Omid Golami

利用聲音擴展量子記憶

加州理工學院的一個團隊如今開發(fā)出一種新的混合方法來擴展量子存儲器。通過將電信號轉(zhuǎn)換為聲音，他們使超導量子比特的量子態(tài)保持穩(wěn)定的時間比之前的方法延長了30倍。

這項研究由研究生Alkim Bozkurt 和 Omid Golami 領導，在電氣工程和應用物理學助理教授 Mohammad Mirhosseini 的指導下，發(fā)表在《自然物理學》雜志上。

“一旦你有了量子態(tài)，你可能并不想立即用它做任何事情，”米爾霍塞尼說?！爱斈阆脒M行邏輯運算時，你需要一種方法來回到它。為此，你需要一個量子存儲器?！?/p>

利用聲音進行量子存儲

此前，Mirhosseini 團隊已證明，聲音，特別是聲子（它們是振動的單個粒子，就像光子是光的單個粒子一樣）可以提供一種便捷的量子信息存儲方法。他們在經(jīng)典實驗中測試的設備似乎非常適合與超導量子比特配對，因為它們工作在同樣極高的千兆赫茲頻率下（人類的聽力在赫茲和千赫茲頻率下至少要慢一百萬倍）。它們在超導量子比特保存量子態(tài)所需的低溫下也表現(xiàn)良好，并且壽命很長。

如今，米爾霍塞尼和他的同事們在芯片上制造了一個超導量子比特，并將其連接到一個被科學家稱為機械振蕩器的微型裝置上。該振蕩器本質(zhì)上是一個微型音叉，由柔性板組成，這些板在千兆赫頻率的聲波作用下振動。當電荷被施加到這些板上時，這些板可以與攜帶量子信息的電信號相互作用。這使得信息能夠被傳輸?shù)皆撗b置中，作為“存儲器”存儲，之后再被傳輸出去，或者說被“記住”。

存儲時間遠超預期

研究人員仔細測量了信息進入設備后，振蕩器需要多長時間才能失去其寶貴的量子信息?！笆聦嵶C明，這些振蕩器的壽命比目前最好的超導量子比特長約30倍，”米爾霍塞尼說。

這種構(gòu)建量子存儲器的方法相比以往的策略具有諸多優(yōu)勢。聲波的傳播速度遠慢于電磁波，因此可以制造出更緊湊的設備。此外，與電磁波不同，機械振動不會在自由空間中傳播，這意味著能量不會從系統(tǒng)中泄漏。這可以延長存儲時間，并減少相鄰設備之間不必要的能量交換。這些優(yōu)勢表明，單個芯片中可以集成多個這樣的音叉，從而提供一種潛在的可擴展的量子存儲器制造方法。

前進的道路

Mirhosseini 表示，這項工作證明了探測該混合系統(tǒng)作為存儲元件的價值所需的電磁波和聲波之間的最小相互作用量?！耙乖撈脚_真正用于量子計算，你需要能夠以更快的速度將量子數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)并輸出。這意味著我們必須找到方法，將相互作用速率提高到現(xiàn)有系統(tǒng)的三到十倍，”Mirhosseini 說。幸運的是，他的團隊對如何實現(xiàn)這一目標已經(jīng)有了想法。

參考文獻：Alk?m B. Bozkurt、Omid Golami、Yue Yu、Hao Tian 和 Mohammad Mirhosseini 合著的《微波光子的機械量子存儲器》，2025年8月13日，《自然物理》。DOI：10.1038/s41567-025-02975-w

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