作者: Francisco Romão, Daniel Vonk, Emmanuil Giortamis, Pramod Bhatotia

1. 核心物理图象

这篇论文的核心物理图象是：将一台大型的中性原子量子计算机（QPU）想象成一个拥有许多独立“工位”的工厂车间。目前，这个“车间”一次只能执行一个“生产任务”（即一个量子电路）。如果任务太大（电路太复杂），产品质量（保真度）会急剧下降；如果任务太小（电路简单），大部分“工位”会闲置，并且每次启动新任务前漫长的“开机预热”（初始化）时间会成为主要瓶颈，导致整体生产效率（吞吐量）很低。

本文的贡献在于，为这个“车间”设计了一套智能的“多任务并行调度系统”。这套系统能够将多个小任务（量子电路）同时、安全地安排到“车间”的不同“工位”上执行。这样一来，一次“开机预热”的成本被多个任务分摊，闲置的“工位”被充分利用，从而在不显著牺牲单个任务质量的前提下，大幅提升了整个“车间”的生产效率。

2. 关键术语解释

• 多编程：指在同一个量子处理器上同时执行多个独立的量子电路。这是本文的核心思想，旨在解决中性原子QPU因初始化延迟长和小电路硬件利用率低而导致的吞吐量瓶颈问题。
• 虚拟分区布局：一个独立于具体硬件物理位置的抽象布局规划。它为每个量子电路预先分配一个逻辑上的“工作区域”（包括存储、纠缠、测量等分区），使得电路可以先独立编译优化，然后再像拼图一样将多个电路的布局“打包”到实际的硬件空间上。这是实现高效多编程的关键抽象层。
• 功能独立性：指在多个电路被并行执行时，每个电路的最终结果必须与其被单独执行时完全相同。这是多编程正确性的核心保障，确保并行化过程不会引入电路间的意外干扰或错误。

3. 主要贡献

1. 首个中性原子QPU多编程系统：提出了第一个能够在中性原子量子处理器上高效、可扩展地并行执行多个量子电路的系统（MultiQ），同时最大程度地保持了单个电路的保真度。
2. 创新的虚拟分区布局抽象：引入了“虚拟分区布局”的概念，将电路的编译优化与硬件的物理布局解耦。这使得电路可以预先被“打包”成适合并行执行的组合，极大地提高了硬件空间利用率和编译灵活性。
3. 指令级并行化优化：设计了新的指令调度策略，能够识别不同电路中可以同时执行的操作（类似于经典计算中的SIMD），让单个硬件指令同时作用于属于不同电路的量子比特，从而最大化执行并行度，减少总运行时间。
4. 功能独立性形式化验证：提出了首个系统性的方法来验证多编程环境下各电路的功能独立性。该方法利用ZX-演算对电路进行形式化等价性检查，确保并行执行不会改变任何电路的语义。

4. 研究方法

作者通过一个名为 MultiQ 的跨层系统（编译器-运行时协同设计）来实现多编程。该系统包含三个核心组件：

• 编译器：为每个输入电路生成一个在性能（保真度）和空间占用（利用率）之间取得平衡的虚拟分区布局，并进行初步优化。
• 控制器（运行时）：使用模拟退火等算法，将多个电路的虚拟布局高效地“打包”到硬件空间上，形成执行批次。然后，它调度所有批次的指令，通过解决硬件资源（如AOD激光）冲突来实现指令级并行化，生成最终的可执行文件。
• 检查器：对控制器生成的并行化可执行文件进行功能独立性验证。它利用量子电路的可逆性和ZX-演算的简化规则，形式化地证明每个电路在并行执行环境下的行为与其单独执行时一致。

5. 实验结果与结论

• 关键结论：MultiQ系统能显著提升中性原子QPU的吞吐量，同时将保真度损失控制在很低水平。实验表明，当并行执行4到14个电路时，系统吞吐量提升了 3.8倍到12.3倍。对于4个电路，保真度甚至略有提升（+1.3%）；对于14个电路，保真度损失也仅为 3.5%。
• 领域意义：这项工作为解决中性原子量子计算机在迈向实用化过程中面临的“大电路保真度低、小电路利用率低”的核心矛盾提供了切实可行的系统级方案。它通过软件和编译优化，充分挖掘了硬件的并行潜力，为未来量子计算云服务的高效任务调度和资源利用奠定了基础。
• 开放问题与启示：论文展示了多编程在中性原子架构上的巨大潜力。未来的研究可以探索更动态的自适应调度策略、考虑更复杂的噪声模型和纠错编码下的多编程，以及将此类方法扩展到其他量子计算平台。

6. 论文标签

编译与优化，中性原子，里德堡原子，物理硬件，量子信息

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原文链接： MultiQ: Multi-Programming Neutral Atom Quantum Architectures