Аналоговые контрдиабатические квантовые вычисления

Почему важно ускорять квантовое решение задач

От планирования авиамаршрутов до проектирования устойчивых коммуникационных сетей — многие практические задачи сводятся к выбору «лучшей» комбинации из огромного множества вариантов. Классические компьютеры испытывают трудности, когда пространство поиска растёт взрывоподобно. В этой статье рассматривается новый способ использовать аналоговые квантовые устройства из отдельных атомов для решения таких задач быстрее и надёжнее, что приближает практическое квантовое преимущество.

Преобразование сложных выборов в узоры из атомов

Множество трудных задач в логистике, финансах и проектировании сетей можно переписать как комбинаторные задачи оптимизации. Одним из центральных примеров является задача максимального независимого множества (MIS): выбрать наибольшее множество точек в сети так, чтобы никакие две не были напрямую соединены. Эта абстрактная задача отражает идеи вроде выбора несовместимых задач или размещения станций сети, которые не мешают друг другу. В квантовых процессорах на нейтральных атомах каждый атом выполняет роль кубита, а их физическое расположение естественно отражает граф: атомы, достаточно близкие для взаимодействия, соответствуют соседним вершинам. Тщательно управляя лазерными импульсами, можно сделать так, чтобы конфигурация с наименьшей энергией этого многoатомного системы кодировала решение MIS, позволяя аппаратуре «расслабиться» к оптимальному ответу.

Предел скорости при медленном и равномерном квантовом эволюционировании

Обычный способ решения таких задач на аналоговых квантовых устройствах — адiabатические квантовые вычисления. Начинают с простого квантового состояния, которое легко подготовить, и затем медленно меняют условия системы так, чтобы, в идеале, состояние следовало по траектории с наименьшей энергией до желаемого решения. На практике же у квантовой аппаратуры ограничено время когерентности: если эволюция слишком медленная, система теряет квантовый характер из-за шума; если слишком быстрая, её можно «встряхнуть» в нежелательные возбуждённые состояния, что снижает успех. Процессоры на нейтральных атомах, которые уже работают с сотнями кубитов, особенно ограничены этой дилеммой, делая неадиабатические ошибки ключевым препятствием для масштабирования.

Короткий путь, который держит систему на курсе

Авторы предлагают аналоговый контрдиабатический протокол квантовых вычислений (ACQC), разработанный специально для платформ на нейтральных атомах. Вместо простого замедления эволюции ACQC добавляет тщательно подобранные дополнительные управляющие члены — реализуемые путём формирования амплитуды, частотного отстройки и фазы управляющего лазера — чтобы компенсировать нежелательные переходы. Концептуально это похоже на прикладывание руля, который удерживает частицу в дне движущейся миски даже при резком наклоне миски. Важно, что команда выводит эти корректирующие члены аналитически на основе упрощённой модели атомной системы, избегая тяжёлой численной оптимизации, которая обычно требуется в вариационных методах. В результате получается практический рецепт, который можно применить непосредственно на современной аппаратуре без итеративной подстройки.

Испытание нового протокола

Чтобы проверить, действительно ли ACQC помогает, исследователи сначала провели большое число бесшумных симуляций на графах до 16 узлов, сравнивая три подхода: простой линейный график управления, более плавный улучшенный график и ACQC, основанный на этой плавной базе. Для коротких времён эволюции, где аппаратные ограничения наиболее чувствительны, ACQC явно превзошёл остальные, улучшив как среднюю энергию конечных состояний, так и вероятность получения точного решения MIS. Затем они перешли к реальным процессорам на нейтральных атомах, доступным через облако: устройству Aquila на 256 кубитов от QuEra для графа на 100 узлов и Orion Alpha от Pasqal для графов на 15 и 27 узлов. Во всех этих экспериментах ACQC последовательно обеспечивал лучшие коэффициенты приближения и более высокие показатели успеха при коротких временах, достигая примерно трехкратного ускорения в получении качественных решений по сравнению со стандартными адiabатическими методами.

Что это значит для будущих квантовых машин

Исследование показывает, что разумное управление аналоговыми квантовыми устройствами может существенно расширить их практическую полезность без необходимости в новых аппаратных компонентах. ACQC работает в рамках текущих экспериментальных ограничений, требуя лишь временной настройки интенсивности лазера, отстройки и, в одном варианте, простой трансформации, устраняющей необходимость управления фазой. Хотя при более долгих эволюциях обычные адiabатические протоколы в конце концов догоняют, ACQC особенно эффективен в быстром «квэнч»-режиме, в котором вынуждены работать современные машины. Поскольку он уже даёт улучшения на уровне нескольких процентов для реалистичных задач, мотивированных промышленностью, этот подход снижает порог для демонстрации реального квантового преимущества и указывает на будущее, в котором процессоры на нейтральных атомах решают крупномасштабные практические задачи оптимизации.

Цитирование: Zhang, Q., Hegade, N.N., Cadavid, A.G. et al. Analog counterdiabatic quantum computing. npj Unconv. Comput. 3, 11 (2026). https://doi.org/10.1038/s44335-026-00056-6

Ключевые слова: квантовая оптимизация, процессор на нейтральных атомах, адиабатические вычисления, контрдиабатическое управление, комбинаторные задачи