摘要：传统计算机以比特（bit）的形式存储信息，比特是逻辑的基本单元，取值为 0 或 1，而量子计算机则基于量子比特。量子比特可以同时处于 0 和 1 的状态。这种奇特的性质，即量子物理学中被称为叠加态的怪异特性，是量子计算最终解决传统计算机难以解决的问题的核心。

传统计算机以比特（bit）的形式存储信息，比特是逻辑的基本单元，取值为 0 或 1，而量子计算机则基于量子比特。量子比特可以同时处于 0 和 1 的状态。这种奇特的性质，即量子物理学中被称为叠加态的怪异特性，是量子计算最终解决传统计算机难以解决的问题的核心。

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阻力流动。在这些系统中，电子流经精心设计的谐振器的量子力学特性产生了超导量子比特。

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（这里指的是量子态，即特定量子系统的数学描述符）并非它们的强项。量子工程师一直在寻求一种方法，即通过为超导量子比特构建所谓的“量子存储器”，来延长量子态的存储时间。

现在，加州理工学院的一个科学家团队采用了一种混合方法来实现量子存储器，有效地将电信息转换成声音，使得超导量子比特的量子态的存储时间比其他技术长 30 倍。

这项新研究由加州理工学院研究生 Alkim Bozkurt 和 Omid Golami 领导，由电气工程和应用物理学助理教授 Mohammad Mirhosseini 指导，发表在《自然物理学》杂志上的一篇论文中。

“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。”

此前，Mirhosseini 研究小组证明，声音，特别是声子，即振动的单个粒子（就像光子是光的单个粒子一样），可以提供一种存储量子信息的便捷方法。

他们在经典实验中测试的器件似乎是与超导量子比特配对的理想选择，因为它们工作在同样极高的千兆赫兹频率下（人类的听力频率为赫兹和千赫兹，至少比超导量子比特慢一百万倍）。它们在超导量子比特保持量子态所需的低温下也表现良好，并且寿命很长。

现在，米尔侯赛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，并在之后被传输出去，或者说被“记住”。

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与以往的策略相比具有诸多优势。声波的传播速度比电磁波慢得多，这使得器件结构更加紧凑。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，并减少邻近设备之间不必要的能量交换。这些优势表明，单个芯片中可以包含多个这样的音叉，从而提供一种潜在的可扩展的量子存储器制造方法。

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。

“要让这个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，将交互速率提高到现有系统的三到十倍，”米尔霍塞尼说道。幸运的是，他的团队对如何做到这一点已经有了想法。

来源：小范的科学世界