Hipars实现高度并行的原子重排，实现具有1000个量子比特的可扩展中性原子量子计算

以下内容来自QUANTUM ZEITGEIST

中性原子计算代表了一条通往可扩展量子计算的有前途的途径，但准备原子的必要初始状态提出了重大挑战。慕尼黑工业大学的Jonas Winklmann 和Martin Schulz与他们的同事一起开发了一种名为HiPARS的新算法，可以显著提高原子重排的速度和效率。当前的方法难以解决有限的并行处理或缓慢的执行时间，从而阻碍了量子电路所需的精确原子配置的创建。HiPARS通过采用高度并行的复合移动来克服这些限制，同时在相当长的距离上重新定位多个原子，并在具有多达1000个量子比特的近期设备中表现出卓越的性能，为进一步改进扩展到数千个量子比特铺平了道路。

可扩展的中性原子阵列组装挑战

研究的重点是高效组装大型、无缺陷的中性原子阵列，例如铷或铯，以用作量子计算和模拟中的量子比特。快速可靠地创建这些阵列，同时最大限度地减少缺陷，对于扩大量子系统至关重要。目前采用了几种方法，每种方法都有局限性。光镊子精确但速度慢，而光晶格则难以进行任意配置或缺陷校正。空间光调制器（SLM）提供了一种很有前途的方法，需要高效的算法和快速的技术。

目前的研究强调了SLM在原子阵列组装中的使用，特别强调算法以最大限度地减少分选移动和纠正缺陷。探索了并行组装阵列的技术，加速了这一过程，一些研究旨在实现恒定时间的架空组装。线性相位插值提高了SLM创建的光图案质量，软件工具使装配过程自动化。研究人员还利用人工智能来加速组装并实现恒定时间开销，通过开发更高效、可扩展的组装大型、无缺陷原子阵列的方法来突破中性原子量子计算的界限。

使用复合移动的平行原子重排

研究人员开发了一种新颖的算法，可以显著改善量子计算设置中中性原子的重排，这是准备量子比特进行计算的关键步骤。认识到当前重排方案的速度和可并行化性的局限性，该团队专注于提高将原子移动到预定构型中的效率。该研究开创了一种基于高度平行的“复合运动”的方法，即多个原子同时被拾取并纵到它们的目标位置，即使是在相对较远的距离上。实验装置利用声光偏转器（AOD）为中性原子创建可移动的陷阱，最初随机加载到阵列中。

该团队的算法可以有效地将这些原子分类到一个完全被占用的子区域中。研究人员没有依赖简单的启发式方法，而是实施了一种贪婪的算法，该算法在每个步骤中动态选择最佳移动，从而最大限度地提高每单位执行时间填充的目标站点数量。这涉及一个可配置的成本函数，该函数可以准确估计每次潜在移动所需的时间，同时考虑距离和所涉及的原子数量。核心创新在于该算法能够建议复杂的平行移动和更快的直接移动，从而适应排序过程每个阶段的特定需求。这一进步有望减少量子计算的初始化时间，将瓶颈从原子排序转移到实际计算。

通过复合移动加快量子比特重排

科学家们为中性原子量子计算机开发了一种新颖的重排算法，显着提高了准备量子比特进行计算的速度。这项工作解决了中性原子计算中的一个关键瓶颈，即原子必须在量子电路开始之前精确定位在阵列内。该团队的算法侧重于最大化原子的平行运动，实现多个量子比特的同时传输，这比现有方法有了重大改进。该算法通过识别复杂的复合运动来运行，其中大量原子被拾取并在一个步骤中纵到目标位置。

例如，算法中的一次移动可以填充目标区域中的八个站点，而顺序方法需要至少13个单独的作才能达到相同的结果。测量证实，与当前可用的方法相比，新算法节省了 50%以上的移动执行时间。该团队在C++中实现了该算法以实现快速运行时间，并使用Python包装器轻松集成到现有的量子计算软件中，并将其公开提供。这一突破大大提高了中性原子量子计算机的效率，为更快、更复杂的量子计算铺平了道路。

演示了可扩展的中性原子重排算法

这项工作引入了一种新颖的算法，旨在改善量子计算系统中中性原子的重排，这是准备量子比特进行计算的关键步骤。该团队成功证明，与现有方法相比，他们的方法增强了并行化能力，特别是对于具有多达约1000个量子比特的近期设备，并表明通过进一步改进，潜在的可扩展性可扩展到数千个量子比特。该算法通过同时将多个原子移动到可能遥远的目标位置来运行，从而简化重排过程。结果表明，该算法的成功率与源数组中具有足够数量原子的概率密切相关，从而证实了其在有足够资源可用时的可靠性。研究人员指出，所选择的成本函数有助于与其他算法进行比较，并且更保守的估计会增加报告的执行时间。未来的工作可能会集中在优化算法以实现物理实现，并探索其具有更大量子比特数的性能，从而有可能释放中性原子量子计算的重大进步。

参考链接

https://quantumzeitgeist.com/1000-quantum-computing-qubits-hipars-enables-highly-parallel-atom-rearrangement-scalable-neutral/