加州理工学院取得突破性进展，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，流经精心设计谐振器的电子所展现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，但其短板在于信息存储——此处特指量子态（特定量子系统的数学描述符）。量子工程师们一直在寻求通过构建所谓的"量子存储器"来延长超导量子比特量子态存储时间的方法。

如今，加州理工学院的科学家团队采用混合方法实现量子存储器，将电信息有效转化为声信息，使得超导量子比特的量子态存储时间比其他技术延长高达30倍。

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

「当你获得量子态后，可能不会立即进行处理，」Mirhosseini解释道，「你需要能在需要执行逻辑操作时重新调用它。为此，量子存储器不可或缺。」

此前，Mirhosseini团队已证实声子（振动的量子粒子，如同光子是光的量子粒子）可为量子信息存储提供便捷方案。他们在经典实验中测试的器件因工作在相同的超高千兆赫频率（人类听觉范围在赫兹至千赫兹频率，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优异性能及长寿命，被视为与超导量子比特配对的理想选择。

当前，Mirhosseini团队在芯片上制备了超导量子比特，并将其连接至科学家称为机械振荡器的微型装置。该振荡器本质上是微型音叉，由千兆赫频率声波驱动的柔性振板构成。当振板加载电荷时，可与携带量子信息的电信号相互作用，实现信息以"存储"模式输入装置，并在需要时以"读取"模式输出。

研究人员精确测量了信息输入后振荡器损失量子内容所需时长。「结果表明，这些振荡器的寿命比现有最优超导量子比特长约30倍，」Mirhosseini指出。

相较先前方案，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；机械振动不会在自由空间传播（与电磁波不同），从而避免能量泄漏。这既延长了存储时间，又减少了邻近器件间的有害能量交换。这些优势表明单个芯片可集成多个此类音叉，为量子存储器制造提供可扩展方案。

Mirhosseini表示，该研究验证了电磁波与声波相互作用的最低阈值，这对探索该混合系统作为存储元件的价值至关重要。「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系统交互速率提升至当前能力的3到10倍。」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；加州理工学院量子信息与物质研究所电子工程博士后研究员Hao Tian。研究获得美国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。