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声波储存量子信息：加州理工学院创造30倍存储时长新纪录

热门资讯 2025年08月29日 06:23 1 admin
声波储存量子信息：加州理工学院创造30倍存储时长新纪录

信息来源：https://www.sciencedaily.com/releases/2025/08/250827234137.htm

量子计算领域迎来重大技术突破。加州理工学院研究团队成功开发出一种革命性的混合量子存储系统，通过将量子信息转换为声波形式，实现了比传统超导量子比特系统长30倍的存储时间。这项发表在《自然物理学》杂志上的研究成果，为解决量子计算中的信息存储难题提供了全新思路，并可能成为构建实用量子计算机的关键技术。

在电气工程和应用物理学助理教授Mohammad Mirhosseini的指导下，研究生Alkim Bozkurt和Omid Golami领导的团队创造性地将超导量子比特与机械振荡器相结合，成功实现了量子态的长期稳定存储。这一突破不仅展示了声子在量子信息处理中的巨大潜力，更为量子计算的实用化发展开辟了新的技术路径。

量子存储的根本挑战

声波储存量子信息：加州理工学院创造30倍存储时长新纪录

加州理工学院的科学家们发明了一种混合量子存储器，可以将量子比特数据转换成声音，使其存储时间比目前的超导系统长30倍。图片来源：Shutterstock

量子计算机的核心优势在于量子比特能够同时处于0和1的叠加态，这种量子物理学的奇异特性使其能够处理传统计算机无法解决的复杂问题。然而，现有的超导量子比特系统虽然在执行快速逻辑运算方面表现出色，但在信息存储方面却存在严重不足。

传统超导量子比特的量子态衰减极快，这严重限制了量子计算机执行复杂算法的能力。在实际应用中，量子计算往往需要在计算过程中暂时存储中间结果，然后在需要时重新调用这些信息。缺乏可靠的量子存储器意味着计算必须在量子态衰减之前完成，这大大限制了可执行算法的复杂性和实用性。

Mirhosseini教授指出："一旦获得量子态，你可能并不想立即使用它。当需要进行逻辑运算时，必须有方法重新访问这些信息。这就是为什么需要量子存储器的原因。"这个看似简单的需求实际上代表了量子工程领域最具挑战性的技术难题之一。

声波存储的技术创新

加州理工学院团队的解决方案基于一个巧妙的物理原理：将电子量子信息转换为机械振动信息。他们在芯片上制造了一个连接到微型机械振荡器的超导量子比特，这个振荡器本质上是一个在千兆赫兹频率下工作的微型音叉。

该系统的核心是由柔性板组成的机械振荡器，这些板能够在声波作用下产生振动。当电荷施加到这些板上时，它们能够与携带量子信息的电信号发生相互作用，从而实现信息的转换和存储。量子信息以声子的形式被"锁定"在机械振荡器中，声子是振动的量子化单位，类似于光子是光的量子化单位。

这种转换机制的优势在于声波的传播速度远慢于电磁波，使得相同尺寸的设备能够存储更多信息。同时，机械振动不会在自由空间中传播，有效防止了能量泄露，显著延长了存储时间并减少了设备间的不必要能量交换。

研究结果显示，这些机械振荡器的量子态存储寿命比目前最佳的超导量子比特长约30倍。这一巨大的性能提升为量子计算的实际应用开辟了全新的可能性，使得更复杂的量子算法成为可能。

实用化前景与技术挑战

尽管取得了显著突破，研究团队认识到距离实际应用仍有一定距离。Mirhosseini教授坦率地指出了当前系统的局限性："要使该平台真正适用于量子计算，必须能够以更快的速度将量子数据输入和输出系统。这意味着需要将相互作用速率提高到现有系统的3到10倍。"

不过，研究团队已经找到了解决这一挑战的方法。他们正在开发新的技术来加快信息传输速度，同时保持长存储时间的优势。这种平衡对于构建实用的量子存储器至关重要。

该技术的另一个重要优势是其可扩展性。由于机械振动的局域性特点，多个这样的"音叉"设备可以集成在单个芯片上，而不会相互干扰。这为制造大规模量子存储阵列提供了技术基础，有望实现真正实用的量子存储系统。

从制造角度来看，该技术与现有的半导体加工工艺兼容，这大大降低了产业化的技术门槛。研究团队使用标准的微加工技术在硅芯片上制造了整个系统，这意味着该技术可以利用现有的半导体制造基础设施进行大规模生产。

量子计算发展的新里程碑

这项研究成果在量子计算发展史上具有重要意义。它不仅解决了一个长期困扰该领域的技术难题，更开创了一种全新的技术路线。通过将电子系统与机械系统相结合，研究人员展示了跨学科方法在解决复杂技术问题中的强大威力。

该技术的潜在应用范围极其广泛。在量子通信领域，长寿命的量子存储器可以实现更稳定的量子网络；在量子模拟领域，它能够支持更复杂的物理系统建模；在量子算法开发方面，它为实现需要大量中间存储的复杂算法提供了技术基础。

此外，这项研究还可能推动量子纠错技术的发展。量子纠错是构建容错量子计算机的关键技术，而有效的量子存储器是实现量子纠错的前提条件。30倍的存储时间延长为实施复杂的纠错协议提供了充足的时间窗口。

研究团队的下一步计划包括进一步优化系统性能，特别是提高信息传输速率，以及探索将该技术集成到更大规模量子系统中的可能性。他们还计划研究如何将多个存储单元连接成网络，为构建分布式量子计算系统奠定基础。

这项由空军科学研究办公室和美国国家科学基金会资助的研究，代表了量子技术发展的一个重要里程碑，为实现真正实用的量子计算机又迈出了关键一步。

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