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瑞士科学家打造“会振动的量子内存” 量子计算机首次实现处理器与内存分工
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- 荷鲁斯快报
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瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）团队提出一种以机械振动保存量子信息的新架构，并验证了超导量子处理器与机械量子内存协同工作的可行性。研究人员把量子信息编码在微型机械谐振器的量子化振动状态中，使芯片在运算过程中可以暂存数据。团队称，这首次明确区分了量子处理器与量子工作内存的职责，结构类似数字计算机中的处理器与内存关系。该成果为缓解量子存储空间紧张提供了新的硬件路径。
长期以来，量子计算机的计算能力持续提升，但如何可靠保存大量量子信息一直是关键瓶颈。目前主流超导量子计算芯片通常让量子比特同时承担计算与存储任务，而量子态保持时间有限，执行复杂或长时间运算时容易发生数据丢失。为延长信息保存时间，现有系统往往额外连接电磁谐振器作为量子内存。这些组件通常依赖厘米级波长的微波共振腔，体积较大，也会占用宝贵的低温空间。
ETH Zurich团队开发的芯片长约7.5毫米、宽约2.5毫米、厚约1毫米，整体尺寸接近一枚小指甲。其核心组件是机械谐振器，当系统需要保存量子信息时，结构会以极高频率振动，不同的量子化振动状态用于承载不同数据。项目负责人、量子物理学家褚毅文将其原理比作吉他：琴弦通过振动产生音符，芯片则利用远超人类听觉范围的微观振动处理量子信息。这些振动并非普通声音，而是以声子为载体、可被量子操控的量子态。
与把信息存进电磁波相比，机械振动在固体中的传播速度更低，因此可在更短距离内形成相应波长。研究人员据此在有限面积内容纳更多存储单元，从物理尺寸上提高量子内存密度。与此同时，超导量子比特继续负责计算与控制，机械谐振器专门承担临时数据保存任务。通过重新划分功能，新架构避免了大量存储结构与计算单元直接混合，为后续扩展更多处理器和内存模块留下空间。
在实验中，团队利用该系统完成了基础量子逻辑操作以及更复杂的量子计算任务，并验证量子态能够在处理器与机械内存之间完成写入、保存和调用。研究者表示，实验不仅证明声子振动可以充当量子信息载体，也说明机械谐振器能够与超导量子比特形成可工作的混合架构。由于信息最终仍需由量子处理器读取和处理，这套系统并非用机械振动取代所有量子比特，而是为二者建立明确分工。
从系统设计角度看，这项成果的重要性不只在于芯片更小。传统超导量子芯片让同一组量子比特既计算又保存数据，处理器必须等待操作结束，容易受到退相干和误差累积影响。新方案让计算单元在任务间歇释放部分存储负担，机械内存则像高速工作区一样暂存中间结果。团队认为，这种类似中央处理器与随机存取存储器的组织方式，有望改善数据流效率，并推动量子计算机从少数器件演示走向可编程系统。
褚毅文表示，高效的处理器与量子内存协作，是未来量子计算机处理传统计算机难以解决问题的重要基础。只有建立明确分工、可灵活调度的体系结构，量子硬件才可能扩大规模并承担更复杂的任务。业内观点也与这一判断相近：随着量子比特数量不断增加，如何保存、读取和传输量子信息，正在成为决定系统实际性能的核心因素。该方案因此也被视为对现有超导量子计算路线的重要补充，而非简单提高处理器数量的单一升级。
这项技术目前仍处于实验研究阶段，尚未达到商业化应用所需的全可靠性、可重复制造和大规模集成水平。未来团队还需要改进机械谐振器的品质因数，降低读写误差，并解决多个存储单元与量子处理器之间的快速连接问题。量子纠错、封装、低温控制以及芯片批量制造也将影响其最终表现。如果后续实验能够证明该架构可稳定扩展，它可能成为下一代模块化量子计算平台的关键技术，并推动通用、可编程量子计算机进一步发展。
