瑞士苏黎世联邦理工学院（ETH Zurich）Yiwen Chu教授团队在《Science》上发表最新成果，提出并实验验证了一种基于机械谐振器的量子计算架构。该架构将超导transmon量子比特作为处理单元，高次谐波体声波谐振器（HBAR）中的多个机械模式作为存储单元，成功实现了通用量子门集合以及量子傅里叶变换、周期查找等算法。该研究为量子计算提供了一条不同于纯电磁方案的路径。

一、分离的量子存储与处理单元

当前主流的超导量子计算平台虽然在扩展性和量子纠错方面取得了重要进展，但仍面临两个关键问题：处理单元与存储单元缺乏明确分离，以及系统连通性有限。经典计算机广泛采用的“CPU-内存”分离架构，在量子领域尚难以实现。

一种有前景的解决方案是引入量子存储器——具有大量长相干时间模式的子系统，与量子中央处理器协同工作，实现基于机械谐振器的量子计算（mechanical resonator–based quantum computing，MRQC）。电磁方案的量子存储器（如共面波导谐振器和三维腔体）已展示高保真存储操作，但其电磁本性导致体积较大且可访问的模式数量有限。混合量子架构将超导量子比特与机械系统耦合，其中高次谐波体声波谐振器因具有长本征相干时间、紧凑尺寸、密集多模频谱以及与自旋量子比特等长寿命系统耦合的潜力，成为量子存储器的理想候选平台。

二、电路量子声动力学平台

l  MRQC工作原理

图1 MRQC工作原理及随机基准测试。

研究团队实现了一个电路量子声动力学系统，由一个超导transmon量子比特与一个高次谐波体声波谐振器耦合而成。器件通过倒装焊工艺将蓝宝石衬底的transmon芯片与HBAR芯片键合在一起，并置于铝腔中进行读取和控制。

系统的核心相互作用遵循Jaynes Cummings模型。量子比特与各声子模式之间的耦合强度近似恒定，实验测得的耦合强度 g/2π约为296 kHz。通过施加远失谐微波驱动产生AC Stark位移，可以动态调控transmon的频率。在该架构中，transmon量子比特充当中央处理器，HBAR的多个声子模式则作为随机存取存储器。每个声子模式在 ∣0〉和 ∣1〉 Fock态的子空间中存储一个量子比特的状态。

工作流程如图1所示，要对某个声子模式中的状态进行操作，首先通过共振Jaynes Cummings相互作用在该模式与transmon之间执行iSWAP门，将状态转移至transmon。随后在transmon上施加单量子比特门，或通过与另一声子模式的非共振相互作用实现两量子比特门。最后，将transmon上的结果状态交换回原始声子模式。

l  单量子比特门的实现与性能

单声子门由一次iSWAP操作、一次单transmon门以及最后一次iSWAP操作串联构成。iSWAP门通过共振Jaynes Cummings相互作用实现：当两个子系统之一处于激发态且频率共振时，它们以速率 2g交换布居数，经过时间 π/2g 完成一次完全交换。实验校准显示，最优iSWAP时长约为800 ns。通过测量激发态transmon在两次iSWAP后的剩余布居数（约为92%），可以估算单次iSWAP引入的平均保真度损失约为2%，与实际随机基准测试中提取的1.71%一致。

为表征单声子门的保真度，研究团队对三个不同声子模式上的Clifford门集合进行了随机基准测试。三个模式测得的保真度分别为95.93%、95.50%和94.95%。通过与纯单transmon门的数据比较，可以确认这些保真度主要受限于iSWAP操作的质量。

三、两量子比特门：受控任意相位门

图2 任意控制相位门协议。

通用量子计算需要至少一个纠缠两量子比特门。研究团队开发了一种在transmon与声子模式之间实现受控任意相位门的协议。该协议基于非共振transmon 声子相互作用下的相位累积效应，实验序列包含三个步骤：第一次非共振相互作用，一个单transmon的Z旋转（旋转相位为 θ），以及第二次相同的非共振相互作用。

该协议的关键条件是：操作结束后，四个计算基态 ∣g0〉、∣e0〉、∣g1〉、∣e1〉 的布居数均回到初始值，仅累积不同的相位。研究团队通过分析不同初始状态下的演化动力学，推导出满足条件的参数关系。对于目标受控相位Φ，存在唯一的参数三元组。实验测量了不同初始状态下transmon激发态布居数的演化曲线，确认其在操作结束时返回初始值。对于Φ=π 的情况，该协议实现的操作等价于一个 C_π 门，附加了可后续补偿的单量子比特旋转。

该协议具有三个主要优势：支持任意受控相位；速度快，即使最长的 C_π 门总时长也仅为约2 μs，是iSWAP时长的2.5倍，远小于transmon的退相干时间（约23 μs）；并且适用于任何通过Jaynes Cummings相互作用耦合的两能级系统和谐振子，无需额外的非计算态。

四、两量子比特门的过程层析与保真度

图3 任意控制相位门量子过程层析。

研究团队对transmon 声子受控相位门进行了量子过程层析。每个子系统分别制备在 ∣0〉、∣1〉、∣+〉、∣i〉四种状态，张成16个乘积输入态。对每个输入态施加待表征操作后，沿x、y、z三轴测量两个子系统的状态，共144组测量。通过重构输出密度矩阵并计算 χ矩阵，得到该操作的保真度。

对于 C_π 门，包含态制备与测量误差的保真度为85.7%。为消除SPAM误差，研究团队测量了由N次重复 C_π 门组成的操作保真度（N从0到19），并拟合指数衰减曲线，提取出单次C_π 门的无SPAM保真度为89.2%。对于目标相位为 π/8整数倍的受控相位门，保真度随相位减小而升高，这是因为小相位需要更短的相互作用时间，从而减少了退相干和衰减的影响。实验测得的 C_π/4、C_π/2 和 C_π 门在三个不同声子模式上的保真度均超过85%，且相干性更高、所需AC Stark位移更小的模式表现出更高的保真度。

五、量子算法演示：量子傅里叶变换与周期查找

图4 QFT 和 QPF 测量。

在上述门集合的基础上，研究团队进一步展示了量子算法的实验实现。

量子傅里叶变换（QFT）：在三声子模式系统中执行了3 量子比特QFT，并通过过程层析重构了操作矩阵。误差预算分析表明，当前系统的主要限制来自transmon的退相干（贡献约15%的保真度损失），而声子模式的退相干贡献约9%。态制备与测量误差合计约12%，剩余约14%的误差来自模拟中未考虑的高阶模式耦合和AC Stark驱动噪声等。

量子周期查找（QPF）：作为Shor算法的重要子程序，QPF用于寻找函数的周期。研究团队实现了一个周期为2的函数（奇偶判断），其Oracle由CNOT门实现。CNOT门分解为单量子比特旋转和一个 C_π 门。经过态制备、Oracle应用、QFT和测量后，输出态布居数在 ∣0〉和 ∣4〉处出现明显峰值，从而确认周期 r=2。对于周期 r=1、2、4的不同函数，实验测量结果与理论预测一致。研究团队还采用期望最大化算法对测量数据进行聚类分析，成功从噪声中识别出了正确的峰值位置。

当前限制与未来展望

当前可实现的量子处理器规模受限于transmon能够共振相互作用的模式数量，而量子电路的长度主要受门操作时长（约2 μs）与transmon相干时间（约20 μs）之比，以及读取时长（约7 μs）与声子模式相干时间（100–400 μs）之比的限制。

研究团队提出了清晰的改进方向：转向共面电路平台，可以实现更快的磁通调谐并访问更多声子模式；集成片上Purcell滤波器以加快transmon读取，缩短声子空闲时间；将多个HBAR器件耦合，实现MRQC操作的并行化，并集成到通用超导量子电路中。这些改进将有望实现硬件高效的量子随机存取存储器。

该工作展示的机械谐振器量子计算架构利用了机械谐振器的高密度多模频谱、长相干时间和紧凑性，为量子计算提供了一条不同于纯电磁方案的路径。该方案中实现的门协议具有普适性，可推广至任何基于Jaynes Cummings相互作用的量子比特 谐振子耦合系统，包括其他电路量子声动力学平台。机械系统作为量子存储和处理单元的角色，正在从理论走向实验验证。

论文信息：Yang, Y., Kladaric，I., Skrabulis, M., et al. Mechanical resonator-based quantum computing. Science 392, 972 (2026). DOI: 10.1126/science.aef4139

 编译｜吉   勋

 指导｜刘玉龙

 编辑｜陈治光  朱婧婷