微型機械共振器助力量子計算技術發展

瑞士聯邦理工學院（ETH Zurich）的研究人員開發了一種系統，利用微觀尺度的機械振動及超導電路來儲存和操作量子資訊。此項研究由朱逸文（Yiwen Chu）領導，開發了一個使用超導量子比特的系統，該系統可與包含多種振動模式的機械共振器進行接口。這些模式被稱為聲子，運行在無法聽見的高頻率下。機械共振器具有獨特的振動模式，類似於吉他弦根據振動方式發出不同音符的特性。

這一設計採用了類似於傳統計算機的原理。中央處理單元進行複雜計算，而隨機存取記憶體則儲存資訊。朱的量子系統遵循了類似的原則。超導量子比特充當處理和控制單元，其角色相當於中央處理單元（CPU）。同時，一個獨立的量子記憶體則暫時保存計算過程中所需的資訊，讓處理器能夠根據需要檢索和修改這些資訊。

機械共振器的優勢

許多量子計算機使用電磁模式來儲存資訊，這可能導致空間不足的問題，並減小設備的尺寸。使用機械共振器可以解決此問題，因為在小型封裝中有許多高度相干的模式可供使用。此外，資訊儲存的量子狀態也容易丟失。原型中使用的共振器是一種高過調的體聲波裝置。所有組件均安裝在一個尺寸為 0.3 英寸（7.5 毫米）長，0.1 英寸（2.5 毫米）寬，0.04 英寸（1 毫米）高的晶片上。

許多聲子模式允許儲存資訊的多種方式，而超導量子比特則提供控制能力。

研究人員發現，他們的系統不僅能執行資訊儲存操作，還能進行其他操作。實驗顯示出一整套量子閘，包括單量子比特閘和受控任意相位閘。重要操作如量子傅裏葉變換和量子週期尋找算法也已完成。傅裏葉變換是許多量子算法中使用的基本操作，而週期尋找則能顯示量子計算機如何識別數學問題中的重複模式。「傅裏葉變換對許多量子算法是必要的，而週期尋找顯示了其應用方式，」朱的研究小組博士研究生、該研究的共同作者伊戈爾·克拉達裏奇（Igor Kladarić）表示。

量子計算的未來潛力

結果顯示，機械共振器可以與超導量子比特一起使用，以執行量子計算操作，這顯示出創建量子隨機存取記憶體的潛力，並能有效儲存資訊。然而，該系統仍處於實驗階段。目前，與量子比特相互作用的模式數量存在限制。研究人員正在努力提高系統的相干性並探索不同的設計。提高量子比特的讀取速度將對擴展此設計至關重要，因為其需要可靠性才能發揮作用。這項研究顯示，機械振動可以成為量子硬件的一個有前途的組成部分。

未來的量子機器可能不僅包含電子和電磁元件。

項目	規格
尺寸	0.3 英寸（7.5 毫米）長，0.1 英寸（2.5 毫米）寬，0.04 英寸（1 毫米）高

機械振動在量子計算中的應用前景

隨著量子計算技術的發展，如何有效儲存和處理量子資訊成為關鍵挑戰。研究顯示，微型機械共振器能夠提供多種儲存方式，並與超導量子比特結合，顯示出創建量子隨機存取記憶體的潛力。這不僅有助於解決空間不足的問題，還能提高量子計算的可靠性和效率。隨著研究的深入，未來的量子計算機可能會融合更多機械元件，推動技術的進一步突破。