摘要：构建一台功能强大的大规模量子计算机，是我们这个时代决定性的科学挑战之一，这些机器有望解决任何经典超级计算机都无法企及的难题。这一希望的核心在于量子比特——一种能够存在于叠加态的脆弱实体。尽管超导电路已成为构建强大量子处理器的领先平台，但它存在一个致命缺陷：退相
构建一台功能强大的大规模量子计算机，是我们这个时代决定性的科学挑战之一，这些机器有望解决任何经典超级计算机都无法企及的难题。这一希望的核心在于量子比特——一种能够存在于叠加态的脆弱实体。尽管超导电路已成为构建强大量子处理器的领先平台，但它存在一个致命缺陷：退相干。这些量子比特对其环境极为敏感，其精密的量子信息会在瞬息之间丢失。这一巨大挑战催生了对量子版计算机内存（RAM）的探索——一种稳定、能长期存储信息的设备。由 Alkım B. Bozkurt 及其同事撰写的开创性论文《一种用于微波光子的机械量子存储器》（A mechanical quantum memory for microwave photons），正是这一探索中的一项里程碑式成就。它以卓越的成果证明了，一个微观机械装置的轻柔、有序的振动，可以成为转瞬即逝的量子态的坚定守护者。
要理解这项工作的重大意义，首先必须了解它所要解决的核心问题。经典计算机比特是二进制且稳健的，它要么是 0，要么是 1。而量子比特则利用量子力学原理，可以同时是 0、1 或两者的任意复杂组合——这种状态被称为叠加态。这一特性以及纠缠现象，是量子计算机巨大潜力的源泉。
由超导金属电路在硅芯片上制成的超导量子比特，尤其擅长以极高的速度执行计算，即“门操作”。然而，它们的电学特性使其极易受到环境噪声的影响。杂散的电磁场、温度波动和材料缺陷都可能破坏量子比特的状态，导致其叠加态坍缩成简单的 0 或 1。这种信息丢失的过程，即退相干，通常发生在微秒的时间尺度上。虽然对于单次计算来说，这似乎是永恒的，但对于需要存储和维护信息以待处理器其他部分运算的复杂算法而言，这是一个致命的限制。因此，开发一个独立的、稳定的量子存储器，是一种根本性的需求。
Bozkurt 等人提出的解决方案是混合量子系统的一个杰出典范。其核心思想是结合两种不同物理系统的最佳特性：超导量子比特的快速处理能力和机械谐振器的卓越稳定性。信息以微波光子（超导电路的自然语言）的形式编码，然后被转移到一个量子化的机械振动单位——声子上。本质上，量子态为了安全存储，从电磁形式转换为了机械形式，并在需要时再转换回来。
这项系统的明星是纳米机械谐振器。它不仅仅是一个振动的材料条，而是一种被称为声子晶体的高度精密结构。该器件由单晶硅雕刻而成，具有周期性的晶格状孔洞。这种图案经过精心设计，可以为声波创造一个“带隙”，这意味着它可以阻止特定频率范围内的机械振动传播。通过在晶体中心引入一个“缺陷”，研究人员创造了一个微小的、孤立的岛屿，特定吉赫兹频率的振动可以存在于其中，被完美地捕获并与周围环境隔绝。这种声学隔离是最大限度减少能量损失的关键，赋予了谐振器极高的品质因数，从而延长了其寿命。量子信息不再作为电荷或电流存储，而是作为最基本的运动单位：一个单一的声子，在其硅制“避难所”内静静地、不受干扰地振荡。
这一概念的优雅之处与其实现的成功相得益彰。研究人员展示了一套完整的、高保真度的量子态写入、存储和读取协议。其过程如下：
写入：首先在超导量子比特中制备好量子态。然后，一个精确定时的微波脉冲激活量子比特与机械谐振器之间的耦合机制。这种通过静电力介导的相互作用，会相干地“交换”状态，将微波光子的能量和相位信息转移到谐振器中的单个声子上。
存储：当信息以机械运动的形式存储在声子晶体中后，耦合被关闭。由于谐振器在机械和电气上都是隔离的，它能够保护量子态免受那些会迅速破坏量子比特的嘈杂环境的影响。
读取：为了检索信息，耦合被重新开启，另一次“交换”操作将状态从声子传回微波光子，然后由量子比特进行读取。
论文中报告的结果确实非同凡响。该机械存储器展示了约 25 毫秒的能量衰减时间 (T1)。这是一个巨大的进步——比实验中使用的高性能量子比特的寿命长30多倍。这意味着该存储器持有量子信息的时间远超处理器本身。此外，通过应用一种称为动态解耦（一系列主动抵消噪声的校正脉冲）的技术，他们将保持叠加态关键相位信息的相干时间 (T2) 从64微妙延长至约 1 毫秒。这证实了该存储器不仅能存储能量，还能忠实地保存完整的量子态。
Bozkurt 及其同事的工作不仅仅是一次技术演示，它代表了量子计算机架构向前迈出的重要一步。通过成功地将存储任务“外包”给一个专门的机械设备，它为模块化量子系统开辟了一条道路。在这种系统中，不同的组件针对不同的任务进行优化——处理器负责处理，存储器负责记忆。这种范式转变为实现容错量子计算提供了可能，使得目前遥不可及的复杂算法变得可行。
除了计算，这项技术对量子互联网也具有深远的影响，在量子互联网中，量子态需要在“节点”中存储并通过长距离传输。机械谐振器也可以与光子耦合，因此可以作为关键的换能器，在本地处理器的微波信号和长距离通信所需的光信号之间转换量子信息。这项研究牢固地确立了量子声学作为下一代量子技术基石的地位，证明了在精密的量子信息世界里，一个简单、寂静的振动，也可能成为最强大的工具。
来源：家有小科技
