量子计算要真正走向更复杂的应用,除了提升量子比特数量和计算性能,如何高效存储和调度量子数据同样关键。
如今,这一领域传来新进展。
记者2日从安徽省量子计算芯片重点实验室获悉,本源量子联合中国科学技术大学,合肥综合性国家科学中心人工智能研究院等科研团队,依托“本源悟空”自主超导量子计算机,成功研发出面向桶式量子随机存储器的“相干量子路由系统”。
相关论文日前发表于国际期刊《物理评论X》。
这项研究瞄准的是QRAM扩展过程中长期存在的线路复杂度和误差累积问题,为在现有超导量子硬件上构建更大规模的量子随机存储器提供了新的技术路径。
如果把量子计算机比作一座高速运转的“智慧城市”,那么QRAM就可以理解为负责数据存储和调度的“数据中心”。
QRAM即量子随机存储器,是量子搜索,量子机器学习等算法中的重要功能模块。
普通计算机访问数据时,需要根据地址找到对应的存储位置。量子计算中的数据访问同样需要解决“去哪里找,怎样准确送达”的问题。
这就需要量子路由器。
它相当于数据中心中的“智能交通系统”,能够根据量子地址指令,将数据准确送到目标位置。
问题也恰恰出现在这里。
随着QRAM规模不断扩大,量子路由网络也会变得越来越复杂。
传统方案通常需要将复杂的受控交换操作拆解成大量标准量子门,再按照一定顺序执行。
节点一多,需要分解的指令就会迅速增加。
结果就是量子线路越来越深,运行时间不断拉长,同时量子噪声也会随着操作次数增加而累积。
对于本身就对环境噪声十分敏感的量子计算系统而言,线路深度过大意味着出错概率进一步上升。
这就像原本一条畅通的数据高速路,随着车辆和路口不断增加,不得不设置越来越多的红绿灯和中转站。
数据还没有抵达目的地,通道本身已经变得越来越复杂。
QRAM扩展难题因此成为制约量子计算复杂功能进一步发展的重要问题之一。
面对这一难题,研究团队提出了一种基于辅助能级的量子路由器构建方案。
核心思路是利用超导量子比特的辅助能级,对传统量子路由操作进行重新设计。
原本复杂的受控交换操作,被转化为由少量双比特跃迁门构成的浅线路等效实现。
通俗来说,就是尽可能减少数据传输过程中不必要的“中转”。
如果传统路线需要一站一站经过多个节点,新的方案则相当于在原有拥堵通道上方架设一条“快速路”,让量子数据能够更加直接地抵达目标位置。
线路变浅之后,不仅能够减少量子操作数量,也有助于降低误差累积。
这正是此次研究试图解决QRAM扩展难题的关键。
理论设计只是第一步。
真正重要的是,这一方案能否在实际量子计算硬件上运行。
研究团队没有停留在模拟层面,而是在“本源悟空”自主超导量子计算机上进行了实际搭建和测试。
实验中,团队构建了3个相互独立的量子路由器,同时搭建了一套两层量子路由网络。
测试结果显示,单个量子路由器的信息传输效率达到98%。
当系统扩展至两层路由网络后,整体信息传输效率仍达到93%。
这意味着,即使路由结构进一步复杂化,系统依然能够保持较高的数据传输效率。
除了传输效率,研究团队还进行了随机访问测试。
结果显示,单个量子路由器的平均保真度达到94.8%,两层量子路由网络的平均保真度达到82.4%。
这里的“保真度”,可以简单理解为量子操作最终结果与理想目标之间的接近程度。
对于量子计算而言,保真度越高,意味着计算和数据传输结果越接近预期。
因此,这些实验数据不仅证明了方案能够完成量子数据路由,也说明它具备进一步向更大规模网络扩展的潜力。
此次研究的意义,并不只是多了一个量子路由器方案。
更重要的是,它体现出量子计算研发正在从单个器件,单项性能的优化,进一步向复杂量子功能在真实硬件上的验证推进。
过去,量子计算研究中很多突破集中在提高量子比特性能,降低噪声,优化量子门等基础指标。
但随着量子计算系统逐渐复杂化,单个器件性能提升已经不是全部。
如何让不同量子功能真正连接起来,如何让量子数据高效流动,如何把实验室中的算法和结构放进真实量子计算机运行,同样成为关键问题。
此次“相干量子路由系统”的实际硬件验证,正是在这一方向上的一次探索。
这项研究还有一个值得关注的地方,就是它并没有单纯依赖增加硬件规模解决问题。
研究团队充分利用超导量子器件本身具有的辅助能级特性,通过硬件特性与线路设计协同,减少复杂操作带来的额外成本。
这实际上打开了一条不同于简单“堆量子比特”的技术思路。
量子计算机未来不仅需要更多量子比特,还需要让芯片结构,量子门,线路和算法之间形成更加高效的配合。
从这个角度看,此次研究也为量子芯片和量子线路协同优化提供了新的思路。
量子搜索,量子机器学习等应用都需要高效处理数据。
如果数据访问本身成为系统瓶颈,那么即便量子处理器拥有更强的计算能力,整体效率也可能受到限制。
因此,QRAM并不是一个孤立的技术模块。
它能否稳定运行,能否降低线路复杂度,能否随着量子计算规模扩大而同步扩展,都将影响未来复杂量子算法的实际实现。
此次研究证明,基于辅助能级的相干量子路由方案能够在现有超导量子计算机上完成实验验证,为这一问题提供了新的解决思路。
从“本源悟空”上的实际实验,到98%的单路由传输效率和93%的两层网络整体传输效率,这项研究释放出的信号十分明确:
量子计算的发展正在进入更加注重系统协同和实际应用能力的新阶段。
未来,量子计算机需要解决的已经不仅是“能不能算”,还包括“数据能不能高效传输”,“复杂线路能不能稳定运行”,以及“系统规模扩大后性能能否保持”。
此次QRAM扩展难题的突破,正是对这些问题的一次回应。
随着量子芯片,量子线路和量子算法之间的协同不断深入,量子计算有望从单项性能竞争进一步走向复杂功能的系统化落地。