给量子计算机装上“高速内存”，这一科研团队做到了

你或许听过量子计算机——它能几分钟完成传统超算几万年的计算任务。但你是否想过：这台“神级”计算机，读取数据的速度跟得上它计算的速度吗？

答案很可能是：跟不上。这就像给法拉利装上了拖拉机的变速箱，引擎再强，也只能慢慢跑。

研究在《自然·物理》上发表 通讯员供图

近日，这个“数据瓶颈”正被中国科学家突破。来自浙江大学物理学院、浙江大学杭州国际科创中心（简称科创中心）的研究团队及其合作者，在《自然·物理》上发表了突破性发现：他们首次在超导量子芯片上，成功实现了一种名为“桶链”的量子随机存取存储器（QRAM）原型，为量子计算机配上了第一台真正意义上的“高速内存”。相关超导量子芯片由科创中心量子计算创新工坊技术开发专家李贺康制备。

量子计算机为何需要专属“内存”？

在日常使用的手机、笔记本电脑里，内存（RAM）的工作很简单：你输入一个“地址”，它返回该地址存储的数据。

但在量子世界里，情况就完全不同。量子计算机最大的优势在于“并行计算”——它能利用量子叠加态，同时处理海量信息。这意味着，量子计算机需要的不是一次读一个数据，而是同时读取处于叠加态中的无数个地址的数据。

这就好比咱们去图书馆找书。普通内存是“你报一个书名，图书管理员就给你找那一本”。而量子内存需要的，是“你报出所有你想找的书名的叠加态，图书管理员要能同时把所有书都找出来，并让信息‘相干’地返回给你”。

参观者在参观“本源悟空”超导量子计算机模型。新华社记者 黄博涵摄  图源：新华社客户端

这个需求，普通内存完全无法满足。因此，量子随机存取存储器（QRAM） 应运而生，它被认为是连接量子计算机与经典数据世界、推动量子计算走向应用的核心基础元件。

中国方案：用“量子路由器”搭建一棵“地址树”

QRAM的理论构想已提出十余年，但实验实现极其困难。其主流架构——“桶链”QRAM，原理上异常优雅：它由排列成二叉树的“量子路由器”构成。查询时，一个“量子水桶”从树根开始，根据地址信息在每个路由器节点被精准传递，最终到达存储目标数据的树叶。

这个架构有两个精妙之处：一是操作极简，查询一个数据所需操作的数量只与树的深度成正比；二是天生抗噪，理论上只有查询路径上的节点出错会影响结果，其他节点的错误会被“无视”。

然而，实现这种“量子路由器”需要极其精密地控制一个四体相互作用的量子门，这是实验上公认的难题。

研究团队 通讯员供图

科创中心量子计算创新工坊团队研究的关键突破在于，他们将复杂的四体相互作用巧妙分解为一系列更基础的两比特量子门组合，使实现一个量子路由器所需的线路深度比传统方案降低了约30%。依托自主设计的高性能超导量子芯片（单比特门保真度高达99.96%），团队最终实现了保真度高达94.5% 的量子路由操作，并成功搭建了可寻址4个和8个经典比特的QRAM原型，查询保真度分别达到80.9% 和60.4%

证明“桶链”真的能抗噪？

量子计算的“内存革命”即将开启

更重要的贡献在于，团队首次通过实验，验证了“桶链”QRAM架构在原理上具有抗噪能力。

团队在QRAM的不同“分支”上人为引入噪声，发现当噪声发生在远离查询路径的分支时，对最终结果影响微乎其微。他们还发现，随着树深度增加，各分支间的量子关联逐渐减弱。这从物理根源上解释了为什么“桶链”QRAM能够天生抗噪——信息在树中传递时，只有主干道上的坑洼会影响通行，远处的噪音噪声隔离了。

超导量子芯片测控实验平台  通讯员供图

这一发现意味着，当未来QRAM规模扩展到可以寻址百万、十亿级别数据时，其查询保真度不会因为系统变大而急剧恶化，这使得构建实用化、大规模QRAM成为可能。

研究告诉我们：能解决量子计算机“数据饥荒”的理想架构，是可以被制造出来并稳定工作的。

未来，当QRAM真正成熟并集成进量子计算机时，它将催生真正有用的量子算法，让量子计算机去解决药物研发、新材料设计、金融风险分析等实际问题；它也将成为量子安全查询等协议的核心，实现信息安全的终极形态。

从理解一个原理，到点亮一个时代。中国科研人员们，正站在这场“内存革命”的最前沿。