这台量子计算机内部，存储器像吉他弦一样振动

量子计算机可能看起来与吉他没有什么共同点，但苏黎世联邦理工学院 (ETH Zurich) 的研究人员发现了一个令人惊讶的联系。物理学家 Yiwen Chu 及其团队开发了一个系统，利用微观机械振动来存储和处理量子信息，就像吉他的弦振动产生音符一样。

与乐器产生的声音不同，这些振动的频率远远超出了人类的听觉范围。它们发生在一个微小的量子芯片内，在那里它们作为一种新型的计算机内存。

通过利用这些振动，研究人员为量子计算机在访问灵活的运行内存的同时高效处理信息创造了一种方法。“量子处理器与量子内存之间的相互作用提供了一个关键基础，旨在将量子计算机建立为一种强大且可靠的方式，来执行传统计算机无法实现的计算，”Yiwen Chu 说。

这项发表在《科学》(Science) 杂志上的突破，介绍了一种不同的量子计算机设计方法。Chu 的团队没有像许多现有系统那样将信息处理和存储紧密集成，而是开发了一种让这些功能扮演更明确角色的架构。

受传统计算机启发的量子内存

研究人员从日常数字计算机的基本设计中汲取了灵感。在传统机器中，中央处理单元 (CPU) 进行计算，而信息则单独保存在运行内存中，通常称为随机存取存储器 (RAM)。这些组件的排列在决定计算机运行效率方面起着重要作用。

Chu 的量子系统遵循类似的原则。超导量子比特 (superconducting qubit) 充当处理和控制单元，发挥类似于中央处理单元 (CPU) 的作用。同时，一个独立的量子内存临时保存计算期间所需的信息，允许处理器根据需要检索和修改信息。

主要区别在于信息的存储方式。

“然而，在我们的量子运行内存中，信息不是像今天通常情况那样以电磁方式存储，而是以机械振动的形式存储，”Chu 解释道。

量子计算机利用量子物理学的不寻常特性，包括叠加（允许量子系统以不同状态的组合存在）和纠缠（在量子状态之间建立强大的联系）。这些效应最终可能使量子机器处理某些极其复杂的计算的速度比传统计算机快得多，包括一些目前超出其实际能力的问题。

为什么振动量子内存可能更好

量子计算最大的挑战之一是保持对量子信息的精确控制。用于计算的状态非常脆弱，即使是微小的干扰也会导致信息丢失。为了可靠地进行计算，处理器和内存必须紧密互动，以高精度地传输和操纵量子状态。

在新系统中，被称为机械谐振器的微观结构以特定的振动模式保存信息。当超导量子比特需要该信息时，它会访问存储的振动状态，执行所需的操作，并将修改后的信息返回内存。

许多现有的量子计算机则在超导量子比特的同时使用电磁内存。研究人员对这些技术了解透彻，它们可以结合起来，对量子状态进行极高精度的控制，包括读取、更改和操纵存储的信息。

然而，电磁内存系统有一个显著的缺点。它们可能占用相当大的空间，使得难以将实验性量子设备扩展到研究人员和工业界最终需要的更大、更强大的计算机中。

机械谐振器提供了几个潜在优势。它们体积小得多，允许更紧凑的设计。它们还可以支持许多不同的振动模式，提供了比传统电磁内存同时存储更多信息的机会。