编译器公平评测与可视化｜中性原子量子计算知识库

中性原子编译器论文里动辄数百倍的保真度差距，相当一部分不是算法优劣，而是指标口径、搬运时长模型与硬件参数没有对齐的产物——把所有编译器输出翻译成同一种"已路由已调度"的中间表示再统一评测，400 倍的差距会缩到几倍。

问题背景

中性原子编译工具（OLSQ-DPQA、DasAtom、Arctic、Atomique、PowerMove、ZAP、Weaver、Q-Pilot 等）各自带一套保真度模型与评估假设，直接比较论文报告的指标并不可靠。对 HybridMapper、DasAtom、Enola 三条工具链的诊断研究发现，造成失真的来源包括 Khusainov 2026：

保真度记账口径不一致（哪些误差源计入、哪些不计入）；
转译（transpilation）优化等级不同；
原子搬运时长模型不同（常数 vs 距离依赖）；
硬件参数化部分错配（ $T_{1} / T_{2}$ 、相互作用半径与阵列间距之比等几何量不可比）；
编译器源码中的实现缺陷直接影响报告指标。

一个标志性案例：先前文献报告 DasAtom 与 Enola 在 QFT30 上的保真度差距超过 $400 \times$ （约 $415.8 \times$ ）；在对齐全部假设并修正实现问题后，这一差距缩至约 $5.5 \times$ Khusainov 2026。结论是：公平评测不能靠逐案手工对齐，需要可复用的后编译接口与统一评测管线；同时，理解编译策略为何低效还需要看见原子在阵列上的运动——这正是可视化工具 NAViz 的切入点 Stade 2026。

三条工具链各自的口径差异值得具体一看 Khusainov 2026：

HybridMapper 报告的是负对数形式的量，且原始电路尚未可执行、不接受同一套指标；其 ASP 定义用 $T_{eff}$ 计退相干，不显式给出操作集合 $O$ 的确切公式；
DasAtom 用 $T_{2}$ 而非 $T_{eff}$ 计退相干，并把搬运时间计入误差项，口径更”保守”；
Enola 用距离依赖的搬运时长模型（更贴近物理），但也因此对源码中硬编码的几何参数敏感，曾有实现问题导致指标大幅偏差。

另一个常被忽视的维度是几何可比性：相互作用半径与阵列间距之比决定了阻塞区域的有效覆盖，两套设定若该比值不同，则编译器的门排布在几何上不可比——统一评测必须先固定这组硬件参数 Khusainov 2026。

方法框架：统一表示与指标

RSQASM：后编译公共表示

框架提出 RSQASM（Routed and Scheduled QASM）：一种受 QASM 启发的后编译表示，捕获已映射、已路由、已调度的中性原子线路，显式包含并行门执行与搬运（move）操作；原子位置用网格单元（cell）索引而非比特编号 Khusainov 2026。适配脚本把既有编译器的输出与中间产物翻译成 RSQASM；评测器（Evaluator）只与 RSQASM 打交道，从而把”编译器内部表示”与”指标计算”解耦。

统一的近似成功概率指标

评测器按一致公式计算保真度相关量与近似成功概率（Approximate Success Probability, ASP）：

P (C) = exp (- \frac{t _{idle}}{T _{eff}}) o \in O \prod F_{o}, T_{eff} = \frac{T _{1} T _{2}}{T _{1} + T _{2}},

其中 $O$ 是显式规定的操作集合（单/双比特门、搬运）， $F_{o}$ 为各操作保真度， $t_{idle}$ 为总空转时间；两比特门数 $g_{2}$ 还决定受里德堡激光辐照的比特数 $∣ Q ∣_{S} - 2 g_{2}$ 及其空转项 $T_{q}$ Khusainov 2026。关键在于：操作集合 $O$ 、搬运时长模型、各保真度来源都作为显式参数写进目标硬件描述（JSON 格式），而非隐藏在编译器内部。

冗余搬运折叠

RSQASM 层面还定义了语义保持的化简：形如”移到中间单元→再移走”的路径若只服务于底层路由实现（不改变有效网格状态），可折叠为单一等效移动 Khusainov 2026。这一步揭示了一个此前被忽略的度量偏差：编译器低层输出的冗余搬运会虚增其搬运时长与空转时间，进而压低其报告的保真度。

案例研究：三条工具链的公平对比

以 QFT30、相互作用半径 $2 μ m$ 为统一设定，用统一评测器重评 HybridMapper（SWAP/MOVE/Hybrid 三模式）、DasAtom 与 Enola Khusainov 2026：

对 Enola 的 RSQASM 做冗余搬运折叠：QFT30 上节省 $6003.69$ 单元移动距离，搬运次数从 $1828$ 降到 $937$ ，移动总时长减少约 $10.9 ms \times 30$ ；其 ASP 从 $5.46%$ 升至 $8.14%$ ；
统一口径后，DasAtom 与 Enola 的 ASP 差距为 $26.58/8.14 \approx 3.3 \times$ ，远小于原报告的 $415.8 \times$ ；
排名本身也发生变化：统一评测下 HybridMapper 的 MOVE 模式 ASP 达 $34.04%$ ，高于 DasAtom 的 $26.58%$ ——在各自原论文的口径下，这一反超是不可见的。

统一评测器给出的完整 ASP 对照（QFT30， $r = 2 μ$ m）Khusainov 2026：

编译器/模式	$F_{decoh}$ (%)	$F_{gates}$ (%)	$F_{moves}$ (%)	ASP (%)
DasAtom	59.39	50.53	88.58	26.58
Enola	15.57	50.53	69.37	5.46
Enola（折叠后）	19.44	50.53	82.91	8.14
HybridMapper SWAP	58.31	2.46	100	1.43
HybridMapper MOVE	70.67	50.53	95.33	34.04
HybridMapper Hybrid	70.05	50.53	95.19	33.69

方法论教训有三条：指标定义必须显式（哪些误差源计入 ASP）；几何参数必须可比（相互作用半径/间距之比不同则比较无意义）；排名对电路族敏感（一个编译器在 QFT 上占优不代表在其它基准上占优——基准电路本身的选择见通用量子基准套件）。

NAViz：可视化驱动的策略改进

NAViz 是首个公开可用的中性原子量子计算实时可视化应用，用 Rust 实现以满足实时渲染；输入线路与设备架构，灰色圆为静态阱位，蓝色/绿色圆分别为静态与正在搬运的原子，提供可调速度、时间轴回放与视频导出 Stade 2026。

其案例研究针对 AOD 搬运的并发约束：行/列整体激活、搬运中行列不可交叉，故两原子可并行搬运当且仅当它们在新旧位置保持相同的相对次序。“放宽次序约束”（允许先拾起后穿越）直觉上更快，实测却更慢——NAViz 动画揭示了原因：被约束的原子被迫绕出长距离迂回。由此发展出的 hybrid 策略（先按严格路由计算、再贪心合并在放宽条件下可省时移动步骤）全面优于两者 Stade 2026。

基准电路（比特数）	严格路由 (ms)	放宽路由 (ms)	Hybrid (ms)
graphstate (100)	22.4	26.2	22.1
graphstate (2000)	802.7	1322.9	802.1
qft (500)	2324.5	2354.5	2287.1
vqe_two_local (200)	8477.0	9757.0	8349.7
wstate (500)	410.8	406.3	410.5
平均	1838.8	2147.4	1816.3

数据来源 Stade 2026 Table I；MQT Bench 提供基准电路。

NAViz 截图：SLM/AOD 阵列上原子搬运动画与放宽路由产生的迂回路径（图源：NA185 Fig. 1）

参数与量级

量	典型值	来源
原报告 DasAtom vs Enola 保真度差距（QFT30）	$> 400 \times$ （约 $415.8 \times$ ）	Khusainov 2026
对齐假设后差距	约 $5.5 \times$	Khusainov 2026
冗余搬运折叠后差距	$26.58/8.14 \approx 3.3 \times$	Khusainov 2026
Enola 冗余搬运削减（QFT30, r=2 µm）	搬运次数 $1828 \to 937$ ，省 $6003.69$ 单元	Khusainov 2026
统一评测下 ASP 最高者（QFT30）	HybridMapper MOVE： $34.04%$	Khusainov 2026
NAViz hybrid 相对放宽路由收益	平均搬运时间 $2147.4 \to 1816.3$ ms（ $- 15%$ ）	Stade 2026

与其他概念的关系

统一评测的下游对象是各家中性原子编译器：DasAtom 分治搬运、OLSQ-DPQA、Arctic 调度、Atomique 动态阵列编译、PowerMove、ZAP 架构与编译器、Weaver 重定向编译。
RSQASM 显式建模的搬运操作对应硬件层的原子搬运与相干输运与最优重排与置换路由；编译目标硬件的形式化能力模型见FPQA 计算模型，存储/纠缠分区的抽象见分区架构。
编译器评测所用基准电路来自通用量子基准套件（MQT Bench）；设备侧（而非编译器侧）的应用级评测见中性原子基准测试。
ASP 指标中显式分离的退相干、门保真度与搬运保真度，其物理机制分解见误差预算与真实建模。

参考文献

E. Khusainov, Y. Chen, J. Winklmann, H. Seidl, et al., “Practical Insights into Fair Comparison and Evaluation Frame for Neutral-Atom Compilers”, 预印本 (2026). NA186 · arXiv:2604.25478
Y. Stade, R. Wille, “Guiding Compiler Optimizations for Neutral Atom Quantum Computers Through Visualizations”, 预印本 (2026). NA185 · arXiv:2608.04081

中性原子百科

探索

编译器公平评测与可视化