原子搬运与相干输运｜中性原子量子计算知识库

原子搬运的独特之处在于"货物是量子态"：一对纠缠 Bell 态原子被拉开 110 µm 后纠缠毫发无损——只要速度低于约 0.55 µm/µs 的阈值。这条"输运相干性"边界，加上换阱开销与 AOD 几何约束，定义了把搬运当作编译原语的全部代价模型。

问题背景

在静态连接的平台上实现非近邻门要靠 SWAP 链（每个 SWAP = 3 个双比特门）；中性原子阵列允许直接把原子搬过去，把通信从”门序列”变成”位移”。搬运因此有三种用途：替代虚拟 SWAP、构建动态连接（见FPQA 计算模型与能力边界）、以及在分区架构中承担分区间数据传输。Bluvstein 等人的实验证明被搬运的可以是已经纠缠的原子——纠缠态的相干输运（coherent transport），这是把搬运视为”量子数据总线”的实验根基 Bluvstein 2022。

理论模型

时间与保真度的代价模型

将一次搬运视为”换阱 + 平移 + 换阱”，Schmid 综述给出 SWAP 替换的时长模型

t_{s h} = 2 t_{t r a p} + \frac{d}{v _{s}},

其中 $t_{t r a p}$ 为 SLM↔AOD 换阱时间， $v_{s}$ 为平均搬运速度 Schmid 2024。加速度受限的更物理模型是三角速度剖面

t_{m v} (d) = 2 \frac{d}{a},

实验表明只要加速度不超过 $a \approx 2750 m / s^{2}$ ，运动本身不引入可观测的保真度损失 Ruan 2025。每次换阱（pick-up/throw）代价约 $15 μ s$ 、保真度 $99.9%$ Ruan 2025，故短距搬运被换阱开销主导、长距搬运被平移时间主导。

输运相干性的速度阈值

对已制备 Bell 对 $∣ Φ^{+} ⟩$ 的原子分离实验给出关键定标 Bluvstein 2022：

分离 $110 μ m$ 、历时 $300 μ s$ 后，parity 振荡显示纠缠与相干均未受影响（期间施加 XY8 八脉冲动力学解耦抑制退相干）；
保真度在总移动时间不超过 $200 μ s$ （平均分离速度 $0.55 μ m / μ s$ ）内保持不变；超过该速度即进入原子损失区——归一化损失后保真度恒定，说明损失是主导误差机制；
$110 μ m$ 的输运时间对应 $< 1 0^{- 3} T_{2}$ ，覆盖理论上可容纳约 2000 原子（间距 $3 μ m$ ）的区域。

这条”低于阈值近似无损、代价只是时间”的经验规律，正是 ZAP 等编译器把搬运误差归入时长项而非独立误差通道的依据 Huang 2026。

AOD 运动学约束

AOD 的 $x$ / $y$ 两组坐标各自只能整体生成一列陷阱，运动自由度因此高度受限：同一 $x$ 坐标上的所有原子在移动中必须保持同一 $x$ 位移（ $y$ 同理），行列次序全程不可交换，相邻坐标间距不得小于最小间距 $d_{min}$ ：

m_{i, a} \cdot \overset{e}{^}_{x} = m_{i, b} \cdot \overset{e}{^}_{x} \forall a, b, ∣ x_{i} - x_{j} ∣ > d_{min} \forall i, j,

且行列交叉会产生非预期”鬼点”陷阱，需用偏移移动先行移出 Schmid 2024 Stade 2024。调度层面由此区分两种模式：并行搬运（多个独立 AOD、搬运与门同时执行，要求局域寻址）与串联搬运（单一 AOD、门层与搬运层交替成”搬运层”）——二者执行的搬运操作相同，差别只在调度，但串联模式的 idle 开销显著更高 Schmid 2024。

纠缠 Bell 对的相干输运：分离 110 µm 前后的 parity 振荡与保真度–速度关系（图源：Bluvstein 2022 Fig. 1）

方法与实现

相干输运协议。NA143 的搬运协议分三层：三次插值（cubic-interpolated）的原子轨迹抑制加热与损失；运动期间以 XY8 动力学解耦序列抑制退相干；门层与运动层交错调度。在此之上实现了 12 原子一维 cluster 态、7 比特 Steane 码态（4 个并行门层），以及用移动 ancilla 阵列制备 19 比特表面码与 24 比特环面码态——ancilla 阵列整体搬入独立读出区完成测量，展示了”纠缠随原子一起搬家”的完整工作流 Bluvstein 2022（逻辑层面的调度见逻辑量子处理器）。搬运还被用作测量的预处理：把图态的一个子晶格整体移到单独区域、再让均匀光束只照亮实验区，即可在未移动比特上施加所需旋转、把图态稳定子变换为可单次读出的形式——“移动”在此充当了测量基变换的一部分 Bluvstein 2022。

hub 中继搬运。搬运并非万能：并行移动受 AOD 行列约束，且长距单跳可能与阻塞约束冲突。Satoh–Yoshida 编译器引入 hub 陷阱——一小批动态放置的空陷阱，充当原子中转的临时路点，编译分两步：先用连续优化求满足最小间距 $d_{min}$ 的应用定制布局（在归一化坐标 $[0, 1]^{2}$ 中求解、由尺度因子还原物理距离，使阻塞半径成为归一化参数），再在每一步路由中按统一代价模型在”SWAP 路由”与”hub 介导搬运（可附带驱逐）“之间选择。17 个基准的评估显示：在最小间距约束下，纯 SWAP 方案在若干线路（最小约九比特）上于实用时间预算内根本求不出调度，而 hub 陷阱使这些线路在秒到分钟内完成编译，且所有完成的线路都完全免除了 SWAP；在路由主导型线路上保真度代理指标较布局匹配的基线提升最高三个数量级（收益主要来自消除 SWAP 开销），而路由无关型线路上收益消失——两种情形可由交互图的结构预先区分 Satoh 2026。

存储的缓存层级。当搬运成为主要时间开销时，“把哪个原子放在哪一层存储”本身成为调度变量。EZCache 把分区架构的存储组织成类似经典缓存的分级记忆层次（hierarchical memory），提示存储–搬运协同调度正向经典体系结构的缓存思想收敛 Zhong 2026。

门型 vs 搬运型的定量比较。把 SABRE 产生的 SWAP 逐一替换为搬运的后处理方案显示：Rb 参数下搬运 SWAP 全面占优（门型需要 CX 保真度约 0.999 才能竞争），但串联调度时搬运占 idle 时间 90% 以上、其中一半以上来自频繁换阱——这推动专用搬运编译器（OLSQ-DPQA、DasAtom 分治搬运、Q-Pilot 飞行 ancilla 编译、最优重排与置换路由）直接在搬运原语上求解 Schmid 2024。

值得注意的是串联/并行两种调度模式的边界完全由硬件寻址能力决定：并行搬运要求足够多的独立 AOD 与局域单比特控制，此时电路结构（如 QFT 这类并行结构）才能转化为搬运与门的并发收益；而在单一 AOD 的约束下一切串行，电路差异被抹平 Schmid 2024。

参数与量级

量	典型值	来源
相干输运距离	$110 μ m$ / $300 μ s$ （纠缠无损）	Bluvstein 2022
速度阈值	$0.55 μ m / μ s$ （超过即进入损失区）	Bluvstein 2022
Bell 对初始间距	$3 μ m$ （分离前）	Bluvstein 2022
输运可达规模	位移区域理论容纳 $\sim 2000$ 原子（间距 $3 μ m$ ）	Bluvstein 2022
加速度上限	$a \approx 2750 m / s^{2}$ （低于此近似无损）	Ruan 2025
换阱时间	$20 μ s$ （综述）； $15 μ s$ 、 $f = 99.9%$ （PowerMove 模型）	Schmid 2024 Ruan 2025
输运时间/相干时间	$< 1 0^{- 3} T_{2}$ （ $110 μ m$ 位移）	Bluvstein 2022
动力学解耦	XY8 八脉冲序列覆盖 $300 μ s$ 输运	Bluvstein 2022
Sr 平台搬运速度上限	$< 0.025 μ m / μ s$	Schmid 2024
hub 搬运收益	免 SWAP 编译秒–分钟级；保真度代理最高 $1 0^{3} \times$	Satoh 2026
可搬运规模演示	19 比特表面码 / 24 比特环面码态（移动 ancilla 阵列）	Bluvstein 2022

与其他概念的关系

搬运是分区架构的物理基础：装载–移动–存储三步循环与四条 AOD 约束是分区调度的硬件前提。
搬运能力的系统级建模（连接性动态化、限制体积与阻塞因子的权衡）见FPQA 计算模型与能力边界；把原子搬到一起之后如何布门见布局映射与长程交互利用。
搬运与重排的分工：计算过程中的相干输运（本词条）区别于加载后的无缺陷阵列组装（原子装配无缺陷阵列）与运行中阵列维持（原子重排与连续运行）。
移动原子桥接远距门的实验方案见远距原子门；移动 ancilla 阵列完成稳定子测量是逻辑量子处理器与中电路测量与非破坏读出的运行基础。
以搬运为中心的编译器家族见OLSQ-DPQA、DasAtom、Q-Pilot 与最优重排与置换路由；平台全貌见中性原子量子计算硬件全景。

参考文献

D. Bluvstein, H. Levine, G. Semeghini, T. T. Wang, et al., “A quantum processor based on coherent transport of entangled atom arrays”, Nature (2022). NA143 · arXiv:2112.03923 · DOI 10.1038/s41586-022-04592-6
T. Satoh, T. Yoshida, “A Neutral-Atom Quantum Compiler with Application-Specific Layout and Hub-Assisted Shuttling” (2026). NA036 · arXiv:2605.29964
J. Zhong, Y. Deng, H. Jiang, J. Feng, “EZCache: A Hierarchical Memory System for Zoned Neutral Atom Quantum Computers”, ICS (2026). NA039 · DOI 10.1145/3797905.3807838
L. Schmid, D. F. Locher, M. Rispler, S. Blatt, J. Zeiher, M. Müller, R. Wille, “Computational capabilities and compiler development for neutral atom quantum processors—connecting tool developers and hardware experts”, Quantum Sci. Technol. (2024). NA009 · arXiv:2309.08656 · DOI 10.1088/2058-9565/ad33ac

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