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傳統(tǒng)計算使用比特作為信息單位，每個比特只能是0或1，就像一位只能沿單一路徑前行的旅人；而量子計算使用量子比特，它利用量子疊加特性，可以同時處于0和1的概率組合態(tài)，像是一位能同時分身千萬、并行探索的超級探險家。

然而，這位“探險家”卻面臨一個尷尬的瓶頸：它雖能飛速奔走，但獲取數(shù)據(jù)時卻只能像普通人一樣一頁頁地翻書。如果沒有高效的數(shù)據(jù)接口，量子計算機(jī)就會像空有超強(qiáng)體能、卻只能逐頁查閱紙質(zhì)地圖的探險家，再快的計算速度也會被緩慢的數(shù)據(jù)搬運(yùn)拖后腿。

如何為量子計算機(jī)打造“高速內(nèi)存”是全球量子計算領(lǐng)域的一塊“硬骨頭”。量子隨機(jī)存儲器（QRAM）是為量子計算機(jī)和經(jīng)典設(shè)備之間提供數(shù)據(jù)交互的高效接口，其利用量子疊加特性，可以在同一時間精準(zhǔn)地指向并調(diào)取多組數(shù)據(jù)，是推動量子計算走向應(yīng)用落地的關(guān)鍵基礎(chǔ)性元件。近日，國際期刊《自然·物理》發(fā)表了一項(xiàng)來自中國科學(xué)家的突破：浙江大學(xué)軟件學(xué)院和寧波國際科創(chuàng)中心聯(lián)合浙江大學(xué)物理學(xué)院，在超導(dǎo)量子計算平臺上完成了QRAM的全球首次真機(jī)實(shí)現(xiàn)，展示了QRAM在實(shí)際運(yùn)行時的抗噪能力，為QRAM的規(guī)?；l(fā)展提供了重要支撐。

理論推導(dǎo)走向現(xiàn)實(shí)落地

QRAM的理論架構(gòu)雖然在2008年已提出，但實(shí)驗(yàn)進(jìn)展一直非常有限，很難完整地跑通整個流程并保持?jǐn)?shù)據(jù)查詢的準(zhǔn)確性。想要在真實(shí)量子計算機(jī)上構(gòu)建QRAM的最大挑戰(zhàn)，在于其結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與脆弱性。在真實(shí)的量子芯片上，由于電路太長、累積錯誤太多，還沒等數(shù)據(jù)讀出來，量子態(tài)就已經(jīng)失效了。

研究團(tuán)隊(duì)對這一難題的攻關(guān)始于2022年?！拔覀兓舜罅繒r間在試錯上?！闭撐墓餐谝蛔髡?、浙江大學(xué)未來計算創(chuàng)新中心博士研究生向德彬說。2022年，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，盡管量子計算在搜索和因子分解上具有指數(shù)級加速潛力，但由于缺乏高效的大帶寬數(shù)據(jù)入口，量子處理器在處理大規(guī)模經(jīng)典數(shù)據(jù)時，輸入/輸出耗時遠(yuǎn)超計算耗時，形成了量子數(shù)據(jù)讀寫瓶頸。QRAM正是理論答案，但它已經(jīng)“躺”在論文里十幾年了，沒人能在真實(shí)芯片上跑通。

“最難的不是理論推導(dǎo)，而是如何讓理想的樹狀結(jié)構(gòu)在現(xiàn)實(shí)的二維網(wǎng)格芯片上跑起來?！毕虻卤蛘f。

“最終，團(tuán)隊(duì)在超導(dǎo)量子芯片上首次成功運(yùn)行了能調(diào)取4位和8位數(shù)據(jù)的QRAM原型，這意味著QRAM能夠同時處理多個數(shù)據(jù)入口。實(shí)驗(yàn)測得的準(zhǔn)確率分別達(dá)到81%和60%，相比未優(yōu)化的方案提升40%以上?！闭憬髮W(xué)軟件學(xué)院和寧波國際科創(chuàng)中心研究員盧麗強(qiáng)說。更重要的是，實(shí)驗(yàn)還首次驗(yàn)證了這種架構(gòu)具有局部抗噪的特性，證明了在現(xiàn)有的、還不完美的量子硬件上，依然能構(gòu)建出實(shí)用且可靠的QRAM，這給了團(tuán)隊(duì)極大信心。

三大創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵突破

研究團(tuán)隊(duì)是如何實(shí)現(xiàn)突破的？

一是打造量子“高速公路”。傳統(tǒng)的QRAM路由方案在邏輯門分解時會產(chǎn)生冗長的操作序列，導(dǎo)致電路深度過大，數(shù)據(jù)還沒讀出來，量子態(tài)就因?yàn)殄e誤累計失效了。團(tuán)隊(duì)通過對路由架構(gòu)的高效重構(gòu)，優(yōu)化了路由器節(jié)點(diǎn)的切換邏輯。這相當(dāng)于將原來彎彎繞繞的“鄉(xiāng)間小路”取直，改造成了直線跨越的“高速公路”，使量子電路深度縮減了30%以上。

二是實(shí)現(xiàn)“報警器”精準(zhǔn)糾錯。在QRAM的樹狀查詢過程中，任何一個節(jié)點(diǎn)的擾動都會導(dǎo)致最終輸出結(jié)果的偏離，且這種錯誤往往難以回溯。團(tuán)隊(duì)巧妙地將負(fù)責(zé)路由的量子比特同時作為原位的監(jiān)視器，如果路由過程中發(fā)生了能級躍遷或邏輯錯誤，路由器會產(chǎn)生特定信號，這就像觸發(fā)“報警器”。通過這種自動識別并剔除的機(jī)制，系統(tǒng)可以過濾掉那些帶有錯誤印記的無效查詢，從而將4位和8位數(shù)據(jù)的查詢準(zhǔn)確率分別提高到81%和60%。

三是建立量子隱形傳態(tài)“隧道”。QRAM是典型的樹狀結(jié)構(gòu)，隨著層級增加，位于“樹根”的比特需要與“樹梢”上相距甚遠(yuǎn)的比特進(jìn)行交互。在物理芯片上，這通常需要大量的交換門來搬運(yùn)信息，這會引入巨大的額外噪聲。團(tuán)隊(duì)利用量子隱形傳態(tài)技術(shù)，在相隔較遠(yuǎn)的量子比特之間建立了常數(shù)深度的“邏輯隧道”。這解決了芯片物理布線對復(fù)雜算法結(jié)構(gòu)的限制問題，讓樹狀的QRAM架構(gòu)能完美地“平鋪”在二維超導(dǎo)芯片上，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝c準(zhǔn)確。

“我們在自主研制的高性能超導(dǎo)量子芯片上完成了全部實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證?！北R麗強(qiáng)說。

“由于QRAM能否以可擴(kuò)展的方式實(shí)現(xiàn)一直存在爭議，因此這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)標(biāo)志著一個重要里程碑?！薄蹲匀弧の锢怼穼徃迦嗽u價。

高效讀取海量數(shù)據(jù)成為可能

QRAM的成功實(shí)現(xiàn)，不僅是一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)室里的“世界首次”，更是一把打開量子計算應(yīng)用大門的鑰匙。

“當(dāng)前量子算法在理論上很美，但真正要在量子計算機(jī)上跑起來，往往需要高效讀取海量經(jīng)典數(shù)據(jù)。例如，藥物分子模擬需要讀取蛋白質(zhì)數(shù)據(jù)庫，金融風(fēng)險分析需要讀取歷史行情數(shù)據(jù)。沒有QRAM，這些應(yīng)用都只能是紙上談兵。”盧麗強(qiáng)說。

具體而言，在藥物分子模擬應(yīng)用上，QRAM能夠快速從擁有數(shù)億個條目的化學(xué)數(shù)據(jù)庫中，以疊加態(tài)形式提取分子的拓?fù)涮卣鳎瑯O大地縮短新藥研發(fā)周期。在金融風(fēng)控上，在處理海量歷史交易記錄時，QRAM有望讓量子算法同時“看到”所有數(shù)據(jù)特征，實(shí)現(xiàn)對欺詐行為的秒級精準(zhǔn)預(yù)測。在人工智能上，QRAM能夠?yàn)榱孔由窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)提供高速的“數(shù)據(jù)喂養(yǎng)”，讓量子AI在處理圖像識別、語言模型等大數(shù)據(jù)任務(wù)時，真正釋放出超越經(jīng)典計算的算力。

“QRAM的突破讓我們更加堅信，通用量子計算機(jī)不是遙不可及的夢想。”論文通訊作者、浙江大學(xué)軟件學(xué)院院長尹建偉說，“我們點(diǎn)亮了一盞燈，接下來的路，會越走越亮。”