推动量子计算机小型化！量子RAM取得重要突破

光子盒研究院出品

一种新的量子随机存取存储器（RAM）设备使用啁啾电磁脉冲、超导谐振器来读写信息，这将使得硬件效率大大高于以往设备。11月7日，相关成果以《使用啁啾脉冲相位编码的随机存储量子存储器》[1]为题，发表在《物理评论X》上。

01

量子RAM：加快算法执行速度、增加信息存储密度

随机存取存储器（或RAM）是计算机的一个组成部分，作为一个短期记忆库，可以快速调用信息。我们的手机或电脑上的应用程序使用RAM，这样就可以在眨眼之间切换任务。致力于建造未来量子计算机的研究人员希望，这种系统有朝一日可以使用类似的量子RAM组件进行操作：这将加快量子算法的执行速度，或增加量子处理器中可储存的信息密度。

现在，伦敦纳米技术中心的James O'Sullivan及其同事朝着实现量子RAM迈出了重要的一步：他们展示了一种硬件高效的方法，使用啁啾的微波脉冲来存储和检索原子旋转中的量子信息。

就像量子计算机一样，量子存储设备的实验演示还处于早期阶段。一个领先的基于芯片的量子计算平台使用由超导金属制成的电路；在这个系统中，中央处理是由超导量子比特完成的，它通过微波光子发送和接收信息。然而，目前还没有任何量子存储设备能够可靠地长时间存储这些光子。

幸运的是，科学家们有了一些想法。

其中一个想法是利用嵌入超导电路的芯片中的杂质原子的自旋。自旋是原子的基本量子属性之一，它的作用就像一个内部罗盘针，与施加的磁场对齐或相反。这两种排列方式类似于经典比特的0和1，可用于存储量子信息。如果芯片包含许多杂质原子，原子的自旋就可以作为一个“多模式”的存储器件：可以同时存储许多光子中包含的信息。

对于原子自旋来说，信息存储时间可以比超导量子比特的时间长几个数量级。例如，研究人员已经表明，放置在硅芯片内的铋原子可以存储量子信息的时间超过一秒钟[2]。有人会问：为什么不使用自旋量子比特来代替超导量子比特呢？的确，有研究小组正在研究基于原子的量子计算机，但原子自旋的控制和测量有其独特的挑战。一种混合方法是使用超导量子比特进行处理，使用原子自旋进行存储，但这里的挑战是如何使用微波光子在这两个系统之间传输信息。虽然研究人员已经证明了原子自旋集合体对微波光子的吸收和检索信息[3]，但这些证明需要使用强磁场梯度或专门的超导电路，这两者都增加了量子存储器硬件的复杂性。

02

量子RAM：实现硬件高效，但信息留存率不够

O’Sullivan和他的同事为微波光子信息存储和检索提供了一个解决方案，它采用了一种硬件高效的方法。

研究人员从一个超导电路谐振器和一个嵌入铋原子的硅芯片中开发出一种RAM装置；啁啾的微波脉冲在谐振器和铋原子之间来回传递量子信息，信息被储存在原子的自旋态中。

该团队的装置由一个超导电路谐振器组成，该谐振器位于一个嵌入铋原子的硅芯片上。研究小组将含有约1000个光子的弱微波激励送入谐振器，这些光子被铋原子的自旋所吸收。然后他们用电磁微波脉冲击中谐振器，这些脉冲的频率随着时间的推移而上升，这种效应被称为“啁啾效应”。正因为如此，光子中包含的量子信息在自旋上印上了一个独特的“相位”标识符，它捕捉了相邻自旋的相对指向位置。然后，研究小组检索了这一信息，将光子转移回超导电路，方法是用一个相同的脉冲击中自旋集合，他们发现该脉冲逆转了这一印记的相位。

O’Sullivan及其同事表明，他们的记忆装置能够以四个弱微波脉冲的形式同时存储多个光子信息。重要的是，他们还证明了这些信息可以以任何顺序被读回，使他们的设备成为真正的RAM。

器件原理图。(a) 硅片上近表面植入的Bi层和表面上的Nb谐振器的示意图。(b) 模拟的Bi植入轮廓与基底表面以下深度的关系。(c) 谐振器电感附近产生的磁场的有限元模拟 (d) 带有非对称天线的铜样品盒。

在首次演示中，该团队报告了3%的效率，表明大部分信息被存储器丢失。因此，他们的设备离未来量子计算机所需的保真存储和检索还有一定距离。然而，对这种低效率的潜在来源的分析表明，它并不是来自于传输过程，而是来自于该设备潜在的可解决的限制。

研究小组认为，通过增加自旋的数量，他们可以大幅提高该设备的效率。

03

应用领域：缩小量子计算机尺寸、提高量子比特密度

除了存储信息之外，量子RAM组件还可以帮助提高量子处理器中的量子比特密度。

2022年9月，IBM推出了世界上最大的稀释制冷机Goldeneye[9]。这个超冷的庞然大物的体积比三个家用冰箱还大，将承载IBM的下一代超导量子计算机。目前的超导量子计算机的量子比特密度不到每平方毫米100个，而传统的计算机芯片每平方毫米包含1亿个晶体管：因此，可以理解为什么IBM需要这样一个大冰箱。

O’Sullivan团队的基于自旋的量子存储器装置原则上可以在目前只被一个量子比特占用的空间内存储多个量子比特状态，这可能有一天有助于缓解这一尺寸问题。

[1]https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/PhysRevX.12.041014

[2]https://www.nature.com/articles/nnano.2013.117

[3]https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.105.140503