「本源悟空」示範連貫量子路由：QRAM 關鍵一步，唔等於量子記憶體已可商用

量子隨機存取記憶體（QRAM）常被視為量子演算法可以「連貫地」讀取資料的關鍵元件。不過，難題唔只係揀中一個記憶體位址，而係要令量子狀態在由位址控制的路徑中穿行時，仍然保存其量子資訊。

Origin Quantum、中國科學技術大學及合作團隊，今次在合肥的超導量子處理器「本源悟空」（Origin Wukong）上，示範了桶式接力（bucket-brigade）QRAM 所需的核心路由功能：量子資訊會按量子位址，經由實體的路由元件作連貫傳送，而唔係用傳統控制系統代為模擬一個路由決定。19

今次真正做到咩？

團隊展示的是一個連貫、確定性、可逆的量子路由器。簡單講，位址本身可以處於量子疊加狀態，路由網絡要相應地保留這種狀態，而不是先把位址量度成普通數碼訊號，然後交畀經典控制器揀路。1

實驗把三個各自校準好的路由器整合成兩層二元樹：第一層的一個路由器，會把輸入狀態導向第二層的兩個路由器之一。兩層是最細但已經真係展示到「分岔再傳遞」的級聯樹狀結構，因此比單一元件測試更接近 QRAM 的系統要求。19

成績要分清：傳得到，同傳得準，係兩回事

報告有兩個不能混為一談的指標：

• 傳輸效率：量子資訊有沒有成功由輸入端到達輸出端；
• 隨機存取保真度：輸出端還原目標量子狀態時有幾準確。

配置	傳輸效率	隨機存取保真度
單一路由器	最高 98%	隨機存取測試報告為 95.74%；另有報道引述平均約 94.8%17
兩層級聯網絡	約 93%	平均 82.4%17

呢個落差正正係結果最值得留意之處：兩層網絡的傳輸效率依然高，但狀態保真度明顯下降，說明量子狀態每多經過一次受控路由操作，誤差便會逐步累積。1

點樣用超導電路「揀路」？

一般超導量子電腦會將 transmon 視作兩能級量子位元（qubit）。今次方案額外利用 transmon 的輔助能級，令它實際充當三能級系統（qutrit）。團隊以微波脈衝控制條件式交互作用，讓輸入的量子狀態走向兩條路徑中的其中一條。1

研究人員採用一種「transition-composite-gate」方法，目的在於避免把路由動作拆成一長串普通單量子位元及雙量子位元閘。電路愈深，控制誤差愈容易累積；量子狀態停留時間愈長，亦愈容易受到退相干影響。縮短電路深度，正是這種設計的實際價值。1

用 |0⟩、|2⟩ 編碼，將 |1⟩ 留作錯誤訊號

團隊把位址資訊編碼在 qutrit 中不相鄰的 |0⟩ 與 |2⟩ 狀態，而中間的 |1⟩ 不用來承載位址。若出現部分洩漏或控制錯誤，系統可能會落入 |1⟩；這便成為一個可辨識的錯誤旗標。實驗可透過後選（post-selection），捨棄出現旗標的測試結果。1

這是一種近期可用的誤差緩解手段：毋須大量額外的錯誤校正量子位元，也能提升保留下來的結果質素。但它不是確定性的錯誤校正——被篩走的運算次數無法使用，會降低有效成功率。因此，後選不能取代日後大規模系統所需的容錯量子錯誤校正。1

點解由兩層擴至四層、八層會難好多？

把兩層網絡加大，唔係重複複製已示範的電路咁簡單。桶式接力架構本質上是一棵二元樹：深度為 d 時，大約需要 2^d 個記憶體端點，以及 2^d − 1 個路由節點；原始構想正是以 qutrit 擔任樹上節點。

所以做更大的樹，所需的不只是更多元件，還包括：

• 大量路由器之間保持可靠而一致的校準；
• 合適的晶片連接方式；
• 緊密同步的微波脈衝；
• 對串擾與能級洩漏的控制；
• 在更長路徑中維持量子相干性。

而每增加一層，操作不完美造成的損失都會疊加。單一路由器與兩層網絡保真度之間的差距，已經是這個擴展難題的早期訊號。1

在架構層面亦有取捨：bucket-brigade QRAM 的查詢時間可隨記憶體規模呈對數增長，但若有 N 個記憶體單元，仍需 O(N) 的硬件空間。換言之，超大規模實作會相當「食硬件」。

是重要的路由里程碑，不是「商用 QRAM 已到」

「本源悟空」實驗最準確的定位，是在超導硬件上完成了系統級的量子資料搬運示範：路由具連貫性、可逆性，而且由量子位址控制；多個獨立製作的路由器亦已能串連成真正會分岔的網絡。這些都是 bucket-brigade QRAM 不可或缺的條件。19

但這不代表大型實用 QRAM 已準備好部署。要走到那一步，還需要大得多的硬件規模、更低的累積誤差、可擴展的控制與讀出能力，以及容錯技術。今次成果是朝量子記憶體路由邁出扎實一步，同時亦清楚揭示餘下的工程難度有幾高。1