加州理工学院（California Institute of Technology）的科学家已经创造出一种混合量子存储器，能够将电子信息转换为声音，使量子态的持续时间比标准超导系统中的持续时间长30倍。

他们的机械振荡器就像一个微小的音叉，能够为可扩展且可靠的量子存储铺平道路。

量子比特与经典比特

传统计算机依赖于位（bit），即只能为0或1的信息基本单位，而量子计算机则以量子位（qubit）进行运算。与普通位不同，量子位可以同时以0和1的状态存在。这种非常规表现是量子力学中的一种效应，称为叠加态，它使量子计算具备了解决传统计算机难以触及问题的巨大潜力。

目前，大多数量子计算机都是采用超导电子系统构建的，在这种系统中，电子在极低温度下无阻力移动。在这些系统中，经过精心设计的谐振器可使电子形成超导量子比特。这些量子比特擅长执行快速、复杂的运算，但不适合长期存储。以量子态（特定量子系统的数学描述）的形式保存信息仍然是一个重大挑战。为了解决这一问题，研究人员一直在致力于创建“量子存储器”，其存储量子信息的时间要远远长于标准超导量子比特。

用声音扩展量子存储器

加州理工学院的一个团队现已开发出一种新型混合方法来延长量子存储器的存储时间。通过将电信号转换为声音，他们让超导量子位中的量子态保持稳定的时间比以往方法延长了30倍。

该研究成果由电气工程与应用物理学助理教授穆罕默德·米尔霍塞尼指导，研究生阿尔金·波兹库尔特和奥米德·戈拉米领衔完成，并发表于《自然·物理》杂志。

“一旦你拥有了一个量子态，你可能不会想立刻对其做任何操作，”米尔霍塞尼说，“当你想要进行逻辑运算时，你需要有一种方法可以回到这个量子态。而要做到这点，你就需要量子存储器。”

利用声音实现量子存储

此前，米尔霍塞尼（Mirhosseini）团队表明，声音（特别是声子）作为单独的振动粒子（光子作为单独的光粒子）可为存储量子信息提供一种便捷的方法。他们在经典实验中测试的装置似乎非常适合与超导量子位配对，因为它们的工作频率相同，都是极高的千兆赫兹（人类听到的赫兹和千赫兹频率至少比这慢一百万倍）。这些装置在保持超导量子位量子态所需的低温下也表现良好，且寿命较长。

现在，米尔霍塞尼（Mirhosseini）和他的同事已经在芯片上制造了一个超导量子比特，并将其连接到了一个科学家称之为机械振荡器的小型装置上。振荡器本质上是一个小型的音叉，它由柔性板组成，这些柔性板会以千兆赫兹频率的声波振动。当在这些板上放置电荷时，板可以与携带量子信息的电信号相互作用。这使得信息可以被传输到装置中以作为“记忆”存储起来，并在之后被传输出来，或者被“回忆”起来。

存储时间远远超出预期

研究人员仔细测量了信息输入装置后振荡器失去其有价值的量子特性所需的时间。“事实证明，这些振荡器的寿命大约是现有最佳超导量子位的30倍，”Mirhosseini说。

与之前的策略相比，这种构建量子存储器的方法具有诸多优势。声波的传播速度远慢于电磁波，从而使得设备更加紧凑。此外，与电磁波不同，机械振动不会在自由空间中传播，这意味着能量不会从系统中泄漏出去。这延长了存储时间，并减轻了附近设备间不良的能量交换。这些优势表明，单个芯片中可能包含许多此类音叉，这为制造量子存储器提供了一种潜在的可扩展方式。

前进的道路

Mirhosseini 说，这项工作证明了电磁波和声波之间为了探究这种混合系统作为存储元件使用的价值而所需的最少交互量。“要使这个平台对量子计算真正有用，你需要能够将量子数据更快地输入和输出系统。这意味着我们必须找到方法，将交互速率在当前系统所能达到的基础上提高 3 到 10 倍，”Mirhosseini 说。幸运的是，他的团队已经想到了实现这一点的办法。

参考文献：《微波光子的机械量子存储器》，作者：阿尔金·B·波兹库尔特、奥米德·格拉米、岳宇、田浩、穆罕默德·米尔霍塞尼，发表于2025年8月13日，期刊《自然·物理》。DOI：10.1038/s41567-025-02975-w

本文的其他作者是Mirhosseini实验室的前访问本科生Yue Yu，以及加州理工学院量子信息与物质研究所电气工程博士后研究员Hao Tian。本研究得到了美国空军科学研究办公室和美国国家科学基金会的资金支持。Bozkurt获得了Eddleman研究生奖学金。

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