2026年7月9日——量子计算机在信息存储方面仍面临限制。如今，苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）的研究人员转而利用机械振动而非电磁存储器。他们开发的新型振动存储器能在更小的体积内存储更多的信息。结合合适的计算机架构，它还能有效解决复杂的计算问题。

这台计算机的工作原理几乎像一把吉他。苏黎世联邦理工学院的量子物理学家储以文（Yiwen Chu）和她的团队利用微小的机械振动来存储和处理信息。这些振动的行为很像吉他产生音符的琴弦振动。

听起来像音乐的东西，实际上是量子物理。储以文和她的团队所研究的振动远远超出了人类的听觉范围。它们发生在量子芯片内部，用于存储量子信息。

这些振动使储以文的量子计算机能够尽可能高效地进行计算，同时灵活地使用工作内存。储以文表示：“量子处理器与量子存储器之间的交互作用，为建立强大且可靠的量子计算机提供了关键基础，使它们能够执行传统计算机无法完成的计算任务。”

这位物理学教授主要研究量子信息和量子计算机架构。她的团队最近在《科学》（Science）杂志上提出了一种新方法，该方法将计算与工作内存的分离程度，比许多紧密集成处理和存储的现有量子计算模型要清晰得多。

新型量子工作内存效仿数字计算模型

为了实现这一目标，储以文和她的团队开发了一种新的量子计算机架构，该架构有意模仿了经典数字计算机。在这些系统中，中央处理器（CPU）处理存储在独立工作内存中的数据——在经典计算机科学中称为随机存取存储器（RAM）。计算机架构定义了计算机各个组件如何组织，以尽可能高效地处理数据。

在储以文的方法中，一个所谓的超导量子比特承担了数字计算机中中央处理器（CPU）所扮演的中央处理和控制单元的角色。同时，待处理的信息被临时存储在量子内存中，使整个计算过程都能随时访问。

“然而，在我们的量子工作内存中，信息并非像现在通常那样以电磁方式存储，而是以机械振动的形式存储，”储以文解释道。

为了执行计算，量子比特会访问量子内存中的一条信息（即一种振动），进行处理和修改，然后将其写回。“具体来说，我们的量子芯片包含所谓的机械谐振器，这些微小组件在存储信息时会开始振动，”储以文继续说道。

每一次振动都存储一条信息

就像吉他的琴弦会根据振动方式产生不同的音调一样，谐振器也可以以多种不同的方式振动——物理学家称之为振动模式。用计算机科学的语言来说，这些模式对应于可用内存插槽的数量。换句话说：每种类型的振动存储不同的信息。

在振动模式内部，又可以实现不同的振动状态。这些状态指的是振动在任何特定时刻的具体状态，信息以能够被灵活访问和再次写回的方式存储在其中。从信息论的角度来看，这些状态对应于内存插槽的内容。

然而，在量子物理学中，这些状态代表了与吉他的关键区别——也代表了与数字计算机的关键区别。琴弦的振动遵循描述我们日常世界的经典物理学规则。相比之下，在量子芯片中，适用的是支配最小粒子行为的量子力学定律。

在那里，状态可以处于叠加态并被纠缠——这是一种在经典物理学中不存在的“两者皆是”形式。数字计算机同样也只使用两种清晰不同的状态：0 或 1。

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这种将状态置于叠加态或纠缠态的能力为量子计算开辟了额外的途径。因此，量子计算机的主要前景是，有朝一日它们可能比经典计算机更有效地解决某些高度复杂的问题——甚至处理传统计算机根本无法解决的任务。

优势：更多振动意味着更多内存

为了让量子计算机能够可靠地计算和存储信息，研究人员必须能够精确控制和操纵这些状态。当处理单元和工作内存耦合紧密时，这可以实现。

在储以文的系统中，其工作原理如下：谐振器以特定的振动状态存储各自的信息。当量子比特从量子工作内存中检索信息时，它会处理并修改这种振动状态，然后再次存储。

到目前为止，许多量子计算模型都将电磁存储器与超导量子比特相结合，因为两者（单独或组合使用）都已得到充分研究并被验证。电磁存储技术能够以非常高的精度读取、修改和控制量子态。

它们的缺点在于：体积相对较大，占用空间多——这可能会阻碍实验性实验室设备发展成为面向研究和工业的市场化量子计算机。这正是储以文研究切入的地方。

相比之下，机械谐振器体积更小、更紧凑。它们还提供更高的存储容量，因为它们支持许多不同的振动模式，因此能比电磁存储器同时存储更多的信息。此外，它们能更长时间地保持量子态的稳定，而不会因振动衰减导致信息丢失。这延长了存储时间。

新型计算机架构通过压力测试

储以文在《科学》杂志上首次通过实验证明，机械谐振器可以成功地与超导量子比特耦合和结合，以执行量子计算。这提供了可行性证明：振动存储系统可以成为电磁方法的一种有前途的替代方案。这种方法能否胜出，现在取决于它扩展规模的效果如何。换句话说，储以文的量子芯片必须在具有扩展计算能力的更大量子计算系统中也能可靠运行。

储以文的团队正在继续这条研究路线。一个原理验证已经在《科学》上发表：他们将量子比特和谐振器嵌入新计算机架构的方法，不仅能够执行简单的计算任务，也能胜任要求更高的任务。

该研究小组使用两个关键问题测试了其方法的计算能力，这两个问题是量子计算中最重要的计算方法之一：量子傅里叶变换和周期查找。

“量子傅里叶变换是许多量子算法所需的基本计算过程。我们实现的周期查找算法则演示了如何使用这一过程，”储以文团队的博士生、该出版物的合著者伊戈尔·克拉达里奇（Igor Kladaric）解释道。

这两种方法都需要量子计算系统能够同时精确控制、存储并相干地链接许多量子态。如果能够实现这一点，就可以认为量子计算机具备了基本的计算能力——而这正是储以文的方法所展示的。

强大量子计算机的基础

原则上，储以文的量子计算系统可以执行执行任意量子计算所需的所有基本计算步骤。这表明该方法本质上适合作为通用、可编程的量子计算机。

在研究和工业领域使用足够强大且可靠的量子计算机之前，仍有很长的路要走。然而，储以文的方法代表了极具前景的一步。