加州理工学院突破性研究实现量子存储器寿命延长30倍

许多现有的量子计算机基于超导电子系统，其中电子在极低温度下无电阻流动。在这些系统中，流过精心设计谐振器的电子所具有的量子力学特性形成了超导量子比特。这些量子比特擅长快速执行计算所需的逻辑运算。然而，存储信息——此处指量子态（特定量子系统的数学描述符）——并非其强项。量子工程师一直在寻求通过构建所谓的超导量子比特"量子存储器"来延长量子态存储时间的方法。

如今，加州理工学院科学家团队采用混合方法制造量子存储器，有效将电信息转化为声音，使得超导量子比特的量子态存储时长可达其他技术的30倍。

这项由加州理工学院研究生Alkim Bozkurt和Omid Golami主导、电气工程与应用物理学助理教授Mohammad Mirhosseini指导的新研究，发表于《自然·物理学》期刊。

Mirhosseini表示："获得量子态后，你可能不会立即进行处理。需要能够在需要执行逻辑操作时重新调用它。为此，量子存储器必不可少。"

此前，Mirhosseini团队证明声音（特别是声子，即振动的单个粒子，如同光子是光的单个粒子）可为存储量子信息提供便捷方式。他们在经典实验中测试的器件因工作在相同的极高吉赫频率（人类听觉范围为赫兹至千赫频率，至少慢一百万倍），且能在超导量子比特所需的低温环境下保持量子态并具有长寿命，似乎是与超导量子比特配对的理想选择。

目前，Mirhosseini团队已在芯片上制备超导量子比特，并将其连接到科学家称为机械振荡器的微型装置。该振荡器本质上是个微型音叉，由柔性板组成，这些板通过吉赫频率的声波产生振动。当板上施加电荷时，这些板可与携带量子信息的电信号相互作用。这使信息能够输入装置存储为"记忆"，并在需要时输出或"读取"。

研究人员精确测量了信息输入后振荡器丢失宝贵量子内容所需时间。"结果表明，这些振荡器的寿命比现有最佳超导量子比特长约30倍。"Mirhosseini指出。

相比先前策略，这种量子存储器构建方法具有多重优势：声波传播速度远低于电磁波，可实现更紧凑的器件；且机械振动不会在自由空间传播（与电磁波不同），这意味着能量不会从系统泄漏。这既延长了存储时间，又抑制了邻近器件间不良的能量交换。这些优势表明单个芯片可集成众多此类音叉，为制造量子存储器提供了潜在的可扩展方案。

Mirhosseini表示，这项工作证明了电磁波与声波相互作用所需的最小强度，从而验证了该混合系统作为存储元件的价值。"要使该平台真正适用于量子计算，必须实现量子数据的快速存取。这意味着我们需要将当前系统的交互速率提升三至十倍。"他补充道。值得庆幸的是，其团队已提出可行的改进方案。

论文《微波光子的机械量子存储器》的其他作者包括：Mirhosseini实验室前访问本科生Yue Yu；加州理工学院电气工程系量子信息与物质研究所博士后研究员Hao Tian。研究获得空军科学研究办公室和美国国家科学基金会资助，Bozkurt获Eddleman研究生奖学金支持。