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2025-03-18 17:24 星期二

给量子计算机装上“高速内存”

时间:2026-05-25 16:11 来源:快讯社

树状的量子随机存储器架构。受访者供图

  传统计算使用比特作为信息单位,每个比特只能是0或1,就像一位只能沿单一路径前行的旅人;而量子计算使用量子比特,它利用量子叠加特性,可以同时处于0和1的概率组合态,像是一位能同时分身千万、并行探索的超级探险家。

  然而,这位“探险家”却面临一个尴尬的瓶颈:它虽能飞速奔走,但获取数据时却只能像普通人一样一页页地翻书。如果没有高效的数据接口,量子计算机就会像空有超强体能、却只能逐页查阅纸质地图的探险家,再快的计算速度也会被缓慢的数据搬运拖后腿。

  如何为量子计算机打造“高速内存”是全球量子计算领域的一块“硬骨头”。量子随机存储器(QRAM)是为量子计算机和经典设备之间提供数据交互的高效接口,其利用量子叠加特性,可以在同一时间精准地指向并调取多组数据,是推动量子计算走向应用落地的关键基础性元件。近日,国际期刊《自然·物理》发表了一项来自中国科学家的突破:浙江大学软件学院和宁波国际科创中心联合浙江大学物理学院,在超导量子计算平台上完成了QRAM的全球首次真机实现,展示了QRAM在实际运行时的抗噪能力,为QRAM的规模化发展提供了重要支撑。

  理论推导走向现实落地

  QRAM的理论架构虽然在2008年已提出,但实验进展一直非常有限,很难完整地跑通整个流程并保持数据查询的准确性。想要在真实量子计算机上构建QRAM的最大挑战,在于其结构的复杂性与脆弱性。在真实的量子芯片上,由于电路太长、累积错误太多,还没等数据读出来,量子态就已经失效了。

  研究团队对这一难题的攻关始于2022年。“我们花了大量时间在试错上。”论文共同第一作者、浙江大学未来计算创新中心博士研究生向德彬说。2022年,团队发现,尽管量子计算在搜索和因子分解上具有指数级加速潜力,但由于缺乏高效的大带宽数据入口,量子处理器在处理大规模经典数据时,输入/输出耗时远超计算耗时,形成了量子数据读写瓶颈。QRAM正是理论答案,但它已经“躺”在论文里十几年了,没人能在真实芯片上跑通。

  “最难的不是理论推导,而是如何让理想的树状结构在现实的二维网格芯片上跑起来。”向德彬说。

  “最终,团队在超导量子芯片上首次成功运行了能调取4位和8位数据的QRAM原型,这意味着QRAM能够同时处理多个数据入口。实验测得的准确率分别达到81%和60%,相比未优化的方案提升40%以上。”浙江大学软件学院和宁波国际科创中心研究员卢丽强说。更重要的是,实验还首次验证了这种架构具有局部抗噪的特性,证明了在现有的、还不完美的量子硬件上,依然能构建出实用且可靠的QRAM,这给了团队极大信心。

  三大创新实现关键突破

  研究团队是如何实现突破的?

  一是打造量子“高速公路”。传统的QRAM路由方案在逻辑门分解时会产生冗长的操作序列,导致电路深度过大,数据还没读出来,量子态就因为错误累计失效了。团队通过对路由架构的高效重构,优化了路由器节点的切换逻辑。这相当于将原来弯弯绕绕的“乡间小路”取直,改造成了直线跨越的“高速公路”,使量子电路深度缩减了30%以上。

  二是实现“报警器”精准纠错。在QRAM的树状查询过程中,任何一个节点的扰动都会导致最终输出结果的偏离,且这种错误往往难以回溯。团队巧妙地将负责路由的量子比特同时作为原位的监视器,如果路由过程中发生了能级跃迁或逻辑错误,路由器会产生特定信号,这就像触发“报警器”。通过这种自动识别并剔除的机制,系统可以过滤掉那些带有错误印记的无效查询,从而将4位和8位数据的查询准确率分别提高到81%和60%。

  三是建立量子隐形传态“隧道”。QRAM是典型的树状结构,随着层级增加,位于“树根”的比特需要与“树梢”上相距甚远的比特进行交互。在物理芯片上,这通常需要大量的交换门来搬运信息,这会引入巨大的额外噪声。团队利用量子隐形传态技术,在相隔较远的量子比特之间建立了常数深度的“逻辑隧道”。这解决了芯片物理布线对复杂算法结构的限制问题,让树状的QRAM架构能完美地“平铺”在二维超导芯片上,确保了数据传输的高效与准确。

  “我们在自主研制的高性能超导量子芯片上完成了全部实验验证。”卢丽强说。

  “由于QRAM能否以可扩展的方式实现一直存在争议,因此这项实验标志着一个重要里程碑。”《自然·物理》审稿人评价。

  高效读取海量数据成为可能

  QRAM的成功实现,不仅是一项实验室里的“世界首次”,更是一把打开量子计算应用大门的钥匙。

  “当前量子算法在理论上很美,但真正要在量子计算机上跑起来,往往需要高效读取海量经典数据。例如,药物分子模拟需要读取蛋白质数据库,金融风险分析需要读取历史行情数据。没有QRAM,这些应用都只能是纸上谈兵。”卢丽强说。

  具体而言,在药物分子模拟应用上,QRAM能够快速从拥有数亿个条目的化学数据库中,以叠加态形式提取分子的拓扑特征,极大地缩短新药研发周期。在金融风控上,在处理海量历史交易记录时,QRAM有望让量子算法同时“看到”所有数据特征,实现对欺诈行为的秒级精准预测。在人工智能上,QRAM能够为量子神经网络提供高速的“数据喂养”,让量子AI在处理图像识别、语言模型等大数据任务时,真正释放出超越经典计算的算力。

  “QRAM的突破让我们更加坚信,通用量子计算机不是遥不可及的梦想。”论文通讯作者、浙江大学软件学院院长尹建伟说,“我们点亮了一盏灯,接下来的路,会越走越亮。”(记者 夏 凡)


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