2026-05-11
量子随机存储器（简称QRAM）为量子和经典设备之间的数据交互提供了高效的接口，是推动量子计算走向应用的关键基础性元件。近日，逻辑比特科技核心成员参与的科研团队，在超导量子计算平台上完成了QRAM的首次实验展示，揭示了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。相关成果以《A bucket-brigade quantum random access memory》为题，以Article形式发表于《自然·物理》(Nature Physics)。
对经典数据的量子查询是量子机器学习、量子模拟和Grover算法等许多量子算法的基本需求。在实际应用中，这一查询过程往往会主导量子算法的计算时间开销，从而影响整体加速效果的实现。经典随机存储器通过输入地址位来查询并返回相应存储数据；而量子随机存储器可接收处于量子叠加态的地址位，实现对多个存储单元的并行查询和数据返回，因此被视为突破量子-经典数据传输瓶颈的重要技术路线。
其中，基于bucket-brigade架构的QRAM，由于其查询误差仅随存储规模对数增长，被认为是实现QRAM的重要方案。该架构主要由排列成二叉树的量子路由器构成。每个量子路由器包含四个量子比特，分别为一个选择位、一个输入位和两个输出位。在工作过程中，选择位存储地址信息，输入输出位进行信息传递；量子路由器根据选择位的状态，将输入位的量子态路由至对应的输出位；每个输出位又作为下一级量子路由器的输入位，将信息依次往下传递。如果选择位处于量子叠加态，不同路由路径也会相干叠加，从而实现QRAM的并行寻址功能。然而，量子路由操作需要实现高精度的四体相互作用调控，实验实现难度极大，严重制约了QRAM的发展。
针对这一问题，研究团队提出了一种高效的量子路由器门线路分解方案，将运行QRAM所需的量子线路层数降低了约30%。在此基础上，依托逻辑比特科技核心成员参与自主设计制备的高性能量子芯片（单比特门保真度达99.96%、两比特门保真度达99.7%），研究团队实现了保真度达94.5%的高精度量子路由操作。通过对量子路由器进行级联，并结合量子误差缓解技术，团队成功构建了可寻址4位及8位经典比特的QRAM架构，查询保真度分别达到80.9%和60.4%，从而在超导量子平台上验证了bucket-brigade架构QRAM的实验可行性。
在对QRAM完整过程进行实验展示后，研究团队进一步深入探究了噪声在该架构中的传递机制。实验中，团队分别在被查询与未被查询的QRAM分支上应用误差缓解技术，结果显示，后者对查询保真度的提升效果明显弱于前者，初步揭示了误差在QRAM中具有差异性影响的特征。
为进一步验证该现象，团队在QRAM的不同分支上人为引入了不同程度的噪声，系统分析了误差发生位置对最终查询结果的影响。实现发现，当误差发生的分支逐渐远离被查询分支时，其对最终输出端口的影响将由越来越高阶的误差过程所主导，从而验证了误差在QRAM中传递的局域化特性。
此外，通过测量不同层级路由器量子比特的纠缠熵，团队观察到纠缠熵随层级深度增加而逐渐下降，表明QRAM各分支间的量子关联随层级加深在逐步减弱，这一现象揭示了bucket-brigade架构QRAM抗噪能力的物理本质来源。上述发现为QRAM的规模化扩展过程中的抗噪性能提供了重要实验依据。
