量子计算机与吉他表面上几乎没有共同点，但苏黎世联邦理工学院的研究人员发现了二者的意外联系。物理学家 Yiwen Chu 及其团队开发了一套系统，利用微观机械振动存储和操控量子信息，类似吉他弦振动产生音符。

与乐器产生的声音不同，这些振动的频率远高于人耳可听范围。振动发生在微型量子芯片内，并作为计算机存储器的新形态。

通过利用这些振动，研究人员为量子计算机提供了一种高效处理信息并访问灵活工作存储器的方式。Yiwen Chu 表示：“量子处理器与量子存储器之间的相互作用提供了关键基础，有望使量子计算机成为执行传统计算机无法完成的计算的强大且可靠手段。”

该成果发表于《Science》，提出了不同的量子计算机设计路径。与许多现有系统将信息处理和存储紧密集成不同，Chu 团队开发的架构让二者承担更明确的角色。

受传统计算机启发的量子存储器

研究人员从日常数字计算机的基本设计中获得启发。传统机器由中央处理器（CPU）执行计算，信息则单独保存在工作存储器中，通常称为随机存取存储器（RAM）。这些组件的组织方式对计算机运行效率有重要影响。

Chu 的量子系统遵循类似原则。超导量子比特充当处理与控制单元，角色类似于 CPU；独立的量子存储器临时保存计算所需信息，使处理器可按需读取和修改。

主要差异在于信息的存储方式。

Chu 解释：“在我们的量子工作存储器中，信息不以当今通常采用的电磁形式存储，而以机械振动形式存储。”

量子计算机利用量子物理的特殊性质，包括叠加和纠缠。叠加使量子系统可处于不同状态的组合，纠缠则在量子态之间建立强关联。这些效应最终可能使量子机器比传统计算机更快地解决某些极复杂计算，包括当前超出实际能力的一些问题。

机械振动量子存储器的潜在优势

量子计算的最大挑战之一是对量子信息保持精确控制。用于计算的状态很脆弱，即使很小的扰动也可能导致信息丢失。为可靠执行计算，处理器和存储器必须充分紧密地相互作用，以高精度传输和操控量子态。

在新系统中，称为机械谐振器的微观结构以特定振动模式保存信息。当超导量子比特需要这些信息时，它访问所存储的振动状态，执行所需操作，再将修改后的信息送回存储器。

许多现有量子计算机则在使用超导量子比特的同时采用电磁存储器。研究人员对这些技术已有深入理解，并可将其组合起来，对量子态实现极高精度的控制，包括读取、修改和操控已存储信息。

但电磁存储系统存在显著缺点。它们可能占据相当大空间，使实验量子器件难以扩展为研究人员和产业最终需要、规模更大且能力更强的计算机。

机械谐振器具有若干潜在优势。它们体积显著更小，可支持更紧凑的设计；还能支持多种不同振动模式，为同时存储更多信息提供可能，超过传统电磁存储器。

另一项重要优势是，机械振动可在存储信息开始衰减前更长时间保持量子态。更长存储时间可能简化复杂计算，因为这类计算要求信息在多个处理步骤中始终可用。

新架构通过关键量子计算测试

发表于《Science》的研究首次通过实验证明，机械谐振器可与超导量子比特协同执行量子计算。结果确认，基于振动的存储器是电磁存储器的可行替代方案。

该成果不仅限于存储信息。Chu 团队证明其架构既能处理相对简单的计算，也能处理要求更高的量子操作。

为评估系统，研究人员测试了两项重要计算技术：量子傅里叶变换和周期查找。二者都是量子计算的基础工具，要求计算机以较高精度协调多个量子态。

Chu 团队博士生、论文共同作者 Igor Kladaric 解释：“量子傅里叶变换是许多量子算法所需的基础计算过程。我们实现的周期查找算法展示了该过程的一种用法。”

成功完成这些任务要求系统同时存储、控制并维持多个量子态之间的相干关系。实验表明，新架构能满足这些要求，提供了有力证据，说明它可支持真正的量子计算，而不只是作为存储器件运行。

迈向实用量子计算机的阶段性进展

最重要的发现之一是，新系统原则上可执行任意量子计算所需的全部基本操作。这意味着该架构具备可编程通用量子计算机所需的核心能力。

然而，在实验芯片中演示这些能力只是起点。下一项主要挑战是将技术扩展到处理能力更强的更大系统，同时保持实验室中展示的精度和可靠性。

Chu 及其同事正在继续研究如何进一步发展该方法。其长期成功取决于：当加入更多组件和更复杂计算时，机械量子存储器能否继续保持有效。

足以支撑广泛科学与工业应用的实用量子计算机仍有距离。尽管如此，苏黎世联邦理工学院团队证明微型机械振动可作为紧凑且能力足够的量子存储器，为让这类机器成为现实展示了一条可行新路径。