我院在超导量子处理器上实现面向桶式量子随机存取存储器的相干量子路由系统　 [2026-09-05]

我院郭国平教授团队联合相关单位，在超导量子计算中实现了面向桶式量子随机存取存储器（QRAM）的相干量子路由。研究成果以“Demonstrating Coherent Quantum Routers for Bucket-Brigade Quantum Random Access Memory on a Superconducting Processor”为题，发表在国际学术期刊Physical Review X上。

量子随机存取存储器是实现量子搜索、量子机器学习等算法的重要基础部件。其中，量子路由器可根据处于叠加态的地址信息，将量子数据相干、可逆地传送至不同路径，是构建桶式QRAM的核心单元。然而，随着路由网络规模扩大，传统量子门分解带来的线路深度、误差累积和硬件连接压力，成为实现可扩展QRAM的主要挑战。

图1：路由器原理示意图。利用非计算子空间的\(|2\rangle\)态可以构建浅线路深度的量子路由器，并且可以支持错误擦除方案。

针对这一问题，研究团队提出了一种基于辅助能级的量子路由器构建方案。该方案利用超导量子比特的辅助能级\(|2\rangle\)，将复杂的受控交换操作转化为由少量双比特跃迁门构成的浅线路等效实现，显著降低了相较传统数字门分解方案的线路深度和误差累积。与此同时，该方案支持将地址信息编码于非相邻的三能级态中，使部分控制误差能够被标记并通过后选择剔除，在不额外引入辅助量子比特的条件下提升路由过程的鲁棒性。

图2：路由器的量子相干控制验证。

团队在“本源悟空”超导量子计算机上完成实验验证，构建了三个独立量子路由器及一个两层量子路由网络。实验显示，单个量子路由器信息传输效率约为98%，两层路由网络的整体传输效率达到93%。在随机访问测试中，单个量子路由器的平均保真度达到94.8%，两层路由网络的平均保真度达到82.4%。结果表明，该体系能够实现由量子地址控制的相干、可逆路由，并具备向更大规模网络扩展的潜力。

图3：两层量子路由器系统的构建和相干控制。

该工作为在现有超导量子硬件上构建可扩展的QRAM提供了新的实现路径。研究也表明，当前系统性能仍受到环境退相干和非预期泄露等因素制约，尤其在两层网络中，串扰会削弱后选择方案带来的保真度增益。后续团队将通过提升器件相干性、优化控制波形和抑制串扰等方式，进一步降低泄露与误差累积，推动量子路由网络向更大规模发展。

中国科学技术大学博士研究生张盛为论文第一作者，陈昭昀研究员、段鹏研究员和郭国平教授为共同通讯作者。研究工作得到国家重点研发计划（2023YFB4502500）、国家自然科学基金（12404564）等支持。该工作的开展得到了中国科学技术大学微纳研究与制造中心的支持。

文章链接：https://journals.aps.org/prx/abstract/10.1103/h5m3-qrn9