超导纳米线存储阵列：错误率大幅降低的技术突破

量子计算机是利用量子力学效应处理信息的系统，它们需要更快且更节能的存储组件，以便在复杂任务中表现良好。超导存储器是一种前景广阔的存储设备，由超导体制成，这些材料在冷却到临界温度以下时能够以零电阻导电。

这些存储设备可能比现有的超导存储器更快，且能耗显著更低。尽管它们具有潜力，但大多数现有的超导存储器容易出错，而且难以扩展，无法创建包含多个存储单元的大型系统。

麻省理工学院（MIT）的研究人员最近开发了一种新的可扩展超导存储器，该存储器基于纳米线，这是一种具有独特光电特性的单维（1D）纳米结构。这种存储器在一篇发表在Nature Electronics的论文中进行了介绍，研究发现，它的出错可能性低于许多过去介绍的其他基于超导纳米线的存储器。

“可扩展的超导存储器是低能耗超导计算机和容错量子计算机发展的关键，”欧文·梅德罗斯、马泰奥·卡斯特拉尼及其同事在他们的论文中写道。

“传统的超导逻辑存储单元占用空间较大，限制了其扩展性；虽然基于纳米线的超导存储单元更紧凑，但其错误率较高，影响了大规模阵列的集成。我们报告了一个4 × 4 超导纳米线存储阵列，该阵列设计用于可扩展的行列操作，功能密度为2.6 Mbit/cm−2。”

团队的纳米线超导存储器

作为研究的一部分，研究人员使用纳米线构建了一个小型紧凑的超导存储单元阵列。每个单元主要由一个超导纳米线环、两个开关和一个动感电感组成。

这两个超导开关的电阻随着温度的变化而变化。另一方面，动感电感器则抵抗电流的变化，使其能够按照可预测的模式流动，并支持存储器的稳定操作。

研究人员写道：“每个存储单元基于一个纳米线环，由两个温度依赖的超导开关和一个可变动感电感器组成。阵列在1.3K的温度下工作，我们在此实现并表征多通量量子态存储和破坏性读出。通过优化写入和读取脉冲序列，我们最小化位错误并最大化操作范围。”

Medeiros、Castellani及其同事开发的存储器通过向特定单元发送精确时序的电脉冲来写入和读取信息。这些脉冲会短暂加热其中一个纳米线开关，从而增加其电阻，并将磁通注入环中。

这种磁通量编码了不同的数据值（0或1）。一旦脉冲结束，纳米线冷却回去，纳米线就会回到超导状态，将包含信息的磁通量封存于纳米线环中。

将超导存储器更贴近实际应用

在初步测试中，基于纳米线的新型超导存储器阵列表现出色，在大约100,000次操作中仅发生约1次错误。这一错误率显著低于过去几年发布的大多数其他超导存储器。

“我们达到了最低比特错误率为10−5，”作者写道。“我们还使用电路级的模拟来理解存储单元的动态、性能极限和在不同脉冲幅度下的稳定性。”

这项最新研究可能有助于超导存储系统的进步，可能使其在实际应用中的可靠部署更进一步。未来，研究人员的设计有望进一步改进并扩大规模，从而创造出更可靠、更高性能的存储系统。

更多信息如下： 可扩展的超导纳米线存储阵列，支持行列寻址， 自然电子学（2026）。 DOI: 10.1038/s41928-025-01512-0