推動量子計算機小型化！量子RAM取得重要突破

光子盒研究院出品

一種新的量子隨機存取存儲器（RAM）設備使用啁啾電磁脈衝、超導諧振器來讀寫信息，這將使得硬件效率大大高於以往設備。11月7日，相關成果以《使用啁啾脈衝相位編碼的隨機存儲量子存儲器》[1]爲題，發表在《物理評論X》上。

01

量子RAM：加快算法執行速度、增加信息存儲密度

隨機存取存儲器（或RAM）是計算機的一個組成部分，作爲一個短期記憶庫，可以快速調用信息。我們的手機或電腦上的應用程序使用RAM，這樣就可以在眨眼之間切換任務。致力於建造未來量子計算機的研究人員希望，這種系統有朝一日可以使用類似的量子RAM組件進行操作：這將加快量子算法的執行速度，或增加量子處理器中可儲存的信息密度。

現在，倫敦納米技術中心的James O'Sullivan及其同事朝着實現量子RAM邁出了重要的一步：他們展示了一種硬件高效的方法，使用啁啾的微波脈衝來存儲和檢索原子旋轉中的量子信息。

就像量子計算機一樣，量子存儲設備的實驗演示還處於早期階段。一個領先的基於芯片的量子計算平臺使用由超導金屬製成的電路；在這個系統中，中央處理是由超導量子比特完成的，它通過微波光子發送和接收信息。然而，目前還沒有任何量子存儲設備能夠可靠地長時間存儲這些光子。

幸運的是，科學家們有了一些想法。

其中一個想法是利用嵌入超導電路的芯片中的雜質原子的自旋。自旋是原子的基本量子屬性之一，它的作用就像一個內部羅盤針，與施加的磁場對齊或相反。這兩種排列方式類似於經典比特的0和1，可用於存儲量子信息。如果芯片包含許多雜質原子，原子的自旋就可以作爲一個“多模式”的存儲器件：可以同時存儲許多光子中包含的信息。

對於原子自旋來說，信息存儲時間可以比超導量子比特的時間長几個數量級。例如，研究人員已經表明，放置在硅芯片內的鉍原子可以存儲量子信息的時間超過一秒鐘[2]。有人會問：爲什麼不使用自旋量子比特來代替超導量子比特呢？的確，有研究小組正在研究基於原子的量子計算機，但原子自旋的控制和測量有其獨特的挑戰。一種混合方法是使用超導量子比特進行處理，使用原子自旋進行存儲，但這裡的挑戰是如何使用微波光子在這兩個系統之間傳輸信息。雖然研究人員已經證明了原子自旋集合體對微波光子的吸收和檢索信息[3]，但這些證明需要使用強磁場梯度或專門的超導電路，這兩者都增加了量子存儲器硬件的複雜性。

02

量子RAM：實現硬件高效，但信息留存率不夠

O’Sullivan和他的同事爲微波光子信息存儲和檢索提供了一個解決方案，它採用了一種硬件高效的方法。

研究人員從一個超導電路諧振器和一個嵌入鉍原子的硅芯片中開發出一種RAM裝置；啁啾的微波脈衝在諧振器和鉍原子之間來回傳遞量子信息，信息被儲存在原子的自旋態中。

該團隊的裝置由一個超導電路諧振器組成，該諧振器位於一個嵌入鉍原子的硅芯片上。研究小組將含有約1000個光子的弱微波激勵送入諧振器，這些光子被鉍原子的自旋所吸收。然後他們用電磁微波脈衝擊中諧振器，這些脈衝的頻率隨着時間的推移而上升，這種效應被稱爲“啁啾效應”。正因爲如此，光子中包含的量子信息在自旋上印上了一個獨特的“相位”標識符，它捕捉了相鄰自旋的相對指向位置。然後，研究小組檢索了這一信息，將光子轉移回超導電路，方法是用一個相同的脈衝擊中自旋集合，他們發現該脈衝逆轉了這一印記的相位。

O’Sullivan及其同事表明，他們的記憶裝置能夠以四個弱微波脈衝的形式同時存儲多個光子信息。重要的是，他們還證明了這些信息可以以任何順序被讀回，使他們的設備成爲真正的RAM。

器件原理圖。(a) 硅片上近表面植入的Bi層和表面上的Nb諧振器的示意圖。(b) 模擬的Bi植入輪廓與基底表面以下深度的關係。(c) 諧振器電感附近產生的磁場的有限元模擬 (d) 帶有非對稱天線的銅樣品盒。

在首次演示中，該團隊報告了3%的效率，表明大部分信息被存儲器丟失。因此，他們的設備離未來量子計算機所需的保真存儲和檢索還有一定距離。然而，對這種低效率的潛在來源的分析表明，它並不是來自於傳輸過程，而是來自於該設備潛在的可解決的限制。

研究小組認爲，通過增加自旋的數量，他們可以大幅提高該設備的效率。

03

應用領域：縮小量子計算機尺寸、提高量子比特密度

除了存儲信息之外，量子RAM組件還可以幫助提高量子處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釋製冷機Goldeneye[9]。這個超冷的龐然大物的體積比三個家用冰箱還大，將承載IBM的下一代超導量子計算機。目前的超導量子計算機的量子比特密度不到每平方毫米100個，而傳統的計算機芯片每平方毫米包含1億個晶體管：因此，可以理解爲什麼IBM需要這樣一個大冰箱。

O’Sullivan團隊的基於自旋的量子存儲器裝置原則上可以在目前只被一個量子比特佔用的空間內存儲多個量子比特狀態，這可能有一天有助於緩解這一尺寸問題。

[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