加州理工学院基于声音的量子存储器的使用寿命是超导量子比特的 30 倍，使实用的量子计算更接近现实。

加州理工学院的科学家创造了一种混合量子存储器，可以将电信息转换为声音，使量子态的持续时间比标准超导系统长 30 倍。

他们的机械振荡器就像一个微型音叉，可以为可扩展和可靠的量子存储铺平道路。

量子比特与经典比特

传统计算机依赖于比特（信息的基本单位，只能是 0 或 1），而量子计算机则使用量子比特运行。与普通位不同，量子比特可以同时以 0 和 1 的形式存在。这种不寻常的行为，一种称为叠加的量子物理效应，赋予量子计算非凡的潜力，可以解决传统机器无法解决的问题。

如今，大多数量子计算机都是使用超导电子系统构建的，其中电子在极低的温度下无阻力移动。在这些系统中，精心设计的谐振器允许电子形成超导量子比特。这些量子比特擅长执行快速、复杂的作，但不太适合长期存储。以量子态（特定量子系统的数学描述）的形式保存信息仍然是一项重大挑战。为了解决这个问题，研究人员一直致力于创造“量子存储器”，这种存储器可以比标准超导量子比特保存量子信息的时间长得多。

扫描电子显微镜图像突出显示了新作品中的单个机械振荡器“音叉”。图像中的假彩色金线表示在超导量子比特和机械振荡器之间传输电信号的电极的位置

用声音扩展量子记忆

加州理工学院的一个团队现在开发了一种新的混合方法来扩展量子存储器。通过将电信号转换为声音，他们使超导量子比特的量子态保持稳定的时间比早期方法长达 30 倍。

这项研究由研究生 Alkim Bozkurt 和 Omid Golami 领导，在电气工程和应用物理学助理教授 Mohammad Mirhosseini 的指导下发表在《自然物理学》上。

“一旦你有了量子态，你可能不想立即用它做任何事情，”Mirhosseini 说。“当你确实想做一个逻辑作时，你需要有一种方法来回到它。为此，你需要一个量子存储器。

利用声音进行量子存储

此前，Mirhosseini 的团队表明，声音，特别是声子，它是振动的单个粒子（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设备似乎非常适合与超导量子比特配对，因为它们在相同的极高千兆赫兹频率下工作（人类在赫兹和千赫兹频率下听到的声音至少慢一百万倍）。它们在使用超导量子比特保存量子态所需的低温下也表现良好，并且使用寿命长。

现在，Mirhosseini 和他的同事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设备。振荡器本质上是一个微型音叉，由柔性板组成，这些柔性板由千兆赫兹频率的声波振动。当电荷放置在这些板上时，板可以与携带量子信息的电信号相互作用。这允许将信息通过管道传输到设备中以作为“内存”存储，并在以后通过管道输出或“记住”。

存储时间远超预期

研究人员仔细测量了一旦信息进入设备，振荡器需要多长时间才能失去其有价值的量子内容。“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，”Mirhosseini 说。

与以前的策略相比，这种构建量子存储器的方法具有多种优势。声波的传播速度比电磁波慢得多，因此使设备更加紧凑。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出来。这可以延长存储时间并减少附近设备之间不良的能量交换。这些优势表明，许多此类音叉可以包含在单个芯片中，从而提供一种潜在的可扩展方式来制造量子存储器。

前进的道路

Mirhosseini 说，这项工作证明了探测这种混合系统用作存储元件的价值所需的电磁波和声波之间的相互作用量最小。“为了使这个平台真正对量子计算有用，你需要能够将量子数据放入系统中并更快地取出。这意味着我们必须找到将相互作用率提高三倍到十倍的方法，超出我们当前系统的能力，“Mirhosseini 说。幸运的是，他的团队对如何做到这一点有想法。