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，浙江大学物理学院超导量子计算团队及其合作者，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，依托浙江大学超导量子计算团队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（图1）。

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（图2）。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。 

浙江大学物理学院的博士生沈凡皓、季榆杰和浙江大学计算机科学学院博士生向德彬为论文的共同第一作者。浙江大学物理学院的宋超、王震研究员，以及浙江大学计算机科学学院的卢丽强研究员、尹建伟教授为论文的共同通讯作者。其他主要作者包括：浙江大学杭州国际科创中心郭秋江研究员、张鹏飞研究员和李贺康高级工程师。在本研究中，实验所使用的超导量子计算平台由浙江大学物理学院超导量子计算团队搭建并提供，相关超导量子芯片在浙江大学微纳加工中心完成制备。该项目得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等的支持。