量子算力迎来“极速缓存”新突破
树状量子随机存储架构示意。受访者供图
传统计算以比特为信息单元，每个比特非0即1，宛如只能沿单一轨道前行的旅客；而量子计算依赖量子比特，凭借量子叠加特性，能同时处于0和1的概率叠加态，好似一位可分身万数、并行探索的超级行者。
不过，这位“超级行者”却遭遇了一个尴尬的瓶颈：它虽能极速奔驰，但在读取数据时却只能像常人一样逐页翻阅。若缺乏高效的数据接口，量子计算机便如同空怀强健体魄、却只能慢速查阅纸质地图的探险者，再快的运算速度也会因数据搬运迟缓而被拖累。
如何为量子计算机构建“高速缓存”是全球量子计算界的一块“硬骨头”。量子随机存储器（QRAM）是连接量子计算机与经典设备的高效数据交互接口，它利用量子叠加特性，能同时精准定位并调用多组数据，是推动量子计算落地应用的关键基础元件。近日，国际期刊《自然·物理》刊发了一项中国科学家的重大突破：浙江大学软件学院携手宁波国际科创中心及浙大物理学院，在超导量子计算平台上全球首次实现了QRAM的真机运行，展示了其在实际运行中的抗噪性能，为QRAM的规模化发展奠定了坚实基础。
QRAM的理论架构虽于2008年提出，但实验进展始终有限，难以完整跑通流程并保持查询精度。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。在真实量子芯片上，因电路过长、累积错误过多，往往数据尚未读出，量子态便已失效。
研究团队攻克这一难题始于2022年。“我们投入了大量时间进行试错。”论文共同第一作者、浙江大学未来计算创新中心博士生向德彬表示。2022年，团队发现，尽管量子计算在搜索和因子分解方面具备指数级加速潜力，但因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正是理论上的解法，但它已在论文中“沉睡”十余年，无人能在真实芯片上成功运行。
“最难的并非理论推导，而是如何让理想的树状结构在现实的二维网格芯片上运转起来。”向德彬说道。
“最终，团队在超导量子芯片上首次成功运行了可调用4位和8位数据的QRAM原型，这意味着QRAM能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%，较未优化方案提升超40%。”浙江大学软件学院和宁波国际科创中心研究员卢丽强介绍。更重要的是，实验首次验证了该架构具备局部抗噪特性，证明在现有尚不完美的量子硬件上，依然能构建出实用可靠的QRAM，这极大鼓舞了团队信心。
研究团队是如何实现突破的？
一是打造量子“高速路”。传统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，数据未读出，量子态便因错误累积而失效。团队通过高效重构路由架构，优化了路由器节点的切换逻辑。这相当于将原本蜿蜒曲折的“乡间小道”取直，改造成直线跨越的“高速路”，使量子电路深度缩减了30%以上。
二是实现“警报器”精准纠错。在QRAM的树状查询过程中，任一节点的扰动都会导致最终输出偏离，且此类错误往往难以回溯。团队巧妙地将负责路由的量子比特同时作为原位监视器，若路由过程中发生能级跃迁或逻辑错误，路由器将产生特定信号，如同触发“警报器”。通过这种自动识别并剔除的机制，系统可过滤掉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升至81%和60%。
三是构建量子隐形传态“隧道”。QRAM是典型的树状结构，随层级增加，位于“树根”的比特需与“树梢”相距甚远的比特交互。在物理芯片上，这通常需大量交换门搬运信息，会引入巨大额外噪声。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，让树状QRAM架构能完美“平铺”在二维超导芯片上，确保数据传输高效准确。
“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。”卢丽强表示。
“由于QRAM能否以可扩展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》审稿人评价道。
海量数据高效读取成为现实
QRAM的成功实现，不仅是实验室里的“世界首次”，更是开启量子计算应用大门的钥匙。
“当前量子算法理论优美，但真正要在量子计算机上运行，往往需高效读取海量经典数据。例如，药物分子模拟需读取蛋白质数据库，金融风险分析需读取历史行情数据。没有QRAM，这些应用只能是纸上谈兵。”卢丽强指出。
具体而言，在药物分子模拟应用中，QRAM能快速从含数亿条目的化学数据库中，以叠加态形式提取分子拓扑特征，大幅缩短新药研发周期。在金融风控领域，处理海量历史交易记录时，QRAM有望让量子算法同时“看见”所有数据特征，实现对欺诈行为的秒级精准预测。在人工智能方面，QRAM能为量子神经网络提供高速“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，通用量子计算机并非遥不可及的幻想。”论文通讯作者、浙江大学软件学院院长尹建伟表示，“我们点亮了一盏灯，未来的路，将越走越亮。”（记者 夏 凡）
