模拟反绝热量子计算

为何加速量子求解至关重要

从规划航空航线到设计鲁棒的通信网络，许多现实世界的挑战都归结为从海量可能性中选出“最佳”组合。当搜索空间呈爆炸性增长时，经典计算机会遇到困难。本文探讨了一种利用由单个原子构成的模拟量子器件以更快、更可靠地攻克此类问题的新方法，从而使实用的量子优势更进一步。

把艰难选择变成原子排列的模式

物流、金融和网络设计中的许多难题都可以重写为组合优化问题。一个核心例子是最大独立集（MIS）：在网络中选择最大的点集，且任意两点之间不直接相连。这个抽象问题涵盖了诸如选择互不冲突的任务或放置不相互干扰的网络站点等情形。在中性原子量子处理器中，每个原子充当一个量子比特，它们的物理排列自然映射为图：彼此足够接近以发生相互作用的原子对应连接的节点。通过精确调控激光脉冲，这个多原子系统的最低能量构型编码了MIS的解，使硬件可以“放松”到最优答案。

缓慢而稳健的量子演化的速度极限

在模拟量子设备上解决此类问题的常规方法是绝热量子计算。方法是从一个易于制备的简单量子态出发，然后缓慢改变系统条件，使得理想情况下态沿最低能量路径持续演化直到得到目标解。然而在实践中，量子硬件的相干时间有限：演化太慢会因噪声导致系统失去量子特性；演化太快则可能把系统“摇”入不希望的激发态，从而降低成功率。已经能操作数百个量子比特的中性原子处理器在这种权衡下尤为受限，使得非绝热误差成为拓展规模的关键障碍。

一种让系统保持正轨的捷径

作者提出了模拟反绝热量子计算（ACQC），这是为中性原子平台专门设计的协议。与其一味减慢演化，不如在驱动激光的幅度、频率失谐和相位上加入精心选择的额外控制项，以抵消不需要的跃迁。从概念上讲，这类似于在碗快速倾斜时施加一股转向力，使粒子仍然紧贴碗底。关键在于，团队从原子系统的简化模型中解析性地推导出这些修正项，避免了变分方法通常需要的大量数值优化。其结果是一个实用的配方，可直接在当今硬件上应用，无需反复调参。

把新协议付诸检验

为了验证ACQC的实际效果，研究人员首先在最多16个节点的图上进行了大量无噪声模拟，比较了三种方法：简单的线性调度、更平滑的改进调度，以及以该平滑基线为基础的ACQC。在硬件限制最为苛刻的短演化时间段内，ACQC明显优于其他方法，不仅改善了最终态的平均能量，也提高了获得精确MIS解的概率。随后他们在云端访问的真实中性原子处理器上进行实验：QuEra的256量子比特Aquila设备用于100节点图，Pasqal的Orion Alpha用于15和27节点的图。在这些实验中，ACQC在短时间内始终提供了更高的近似比和成功率，在达到高质量解方面相比标准绝热方法实现了大约三倍的加速。

这对未来量子设备意味着什么

该研究表明，通过对模拟量子器件进行智能控制，可以在不需要新增硬件组件的情况下显著延长其实用性。ACQC在当前实验限制内可行，仅需对激光强度、失谐进行时间依赖的调节，并在一种变体中通过一个简单的变换消除了对相位控制的需求。虽然随着演化时间延长，普通绝热协议最终会赶上来，但ACQC在当今机器必须运行的快速“淬火”（quench）环境中表现突出。鉴于它在现实且具行业动机的问题上已经带来了数个百分点的改进，这种方法降低了展示真实量子优势的门槛，并指向了一个中性原子处理器可应对大规模现实优化任务的未来。

引用: 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

关键词: 量子优化, 中性原子处理器, 绝热计算, 反绝热驱动, 组合问题