近日，北京量子信息科学研究院（以下简称“量子院”）量子操作系统软件研发团队提出一种面向场可编程原子阵列的分区架构与高性能编译框架ZAP。该工作通过硬件架构与编译算法协同设计，解决中性原子量子计算中逻辑线路映射、原子搬运、串扰控制与编译效率之间的关键矛盾，为快速、可扩展、噪声感知的中性原子量子计算提供了新的软件栈方案。2026年5月25日，相关成果以“ZAP: 面向场可编程原子阵列的分区架构与高性能编译框架”（ZAP: Zoned Architecture and Performant Compiler for Field Programmable Atom Array）为题，在线发表于《电气与电子工程师协会量子工程汇刊》（IEEE Transactions on Quantum Engineering）。

在中性原子量子计算平台中，量子比特由被光镊捕获的单个原子承载。与固定连接的量子比特架构不同，中性原子平台中的原子可以在计算过程中被动态移动和重新排列，从而使原本相距较远的量子比特在需要执行两比特门时靠近。这一特性为大规模量子计算提供了灵活的连接能力，也避免了大量由固定拓扑限制引入的SWAP门开销。

然而，动态可重构也给编译带来了新的挑战。编译器不仅要决定逻辑量子比特对应到哪些物理原子，还要安排原子何时移动、移动到哪里、如何并行移动以及如何避免AOD控制约束下的路径冲突。同时，两比特门通常需要在特定区域内通过里德堡激发实现，若空闲量子比特暴露在相关激光场中，可能产生额外串扰。随着量子比特数目和线路规模增加，原子排布与移动路线的搜索空间迅速扩大，现有依赖反复全局搜索的编译方法容易形成新的系统瓶颈。

针对上述问题，研究团队提出ZAP首先在硬件层面引入分区架构，将中性原子阵列划分为存储区和纠缠区。存储区用于保存暂不参与两比特门操作的量子比特，纠缠区则用于执行纠缠门。通过将“静置”和“纠缠”两类功能在空间上分离，ZAP能够减少空闲量子比特受到两比特门全局激光场影响的机会，降低串扰，并为后续编译算法提供更清晰的物理结构约束。

在编译策略上，ZAP采用面向分区架构的确定性单遍流程，包含硬件感知的ASAP-separate调度、前瞻式量子比特放置和冲突感知路由。与传统ASAP调度尽量压缩逻辑深度不同，ZAP优先组织两比特门操作，再将单比特门填入合适的时间空隙，从而减少因交错执行带来的频繁原子往返搬运。在放置与路由阶段，ZAP会根据后续线路结构预判量子比特的复用情况，并结合AOD行列约束选择更易并行执行的移动方案。图1展示了ASAP-joint与ASAP-separate在连续逻辑阶段中的搬运差异。

此外，对于已位于纠缠区、但当前阶段暂时空闲的量子比特，ZAP并不固定采用“全部送回存储区”或“全部留在纠缠区”的策略，而是根据后续使用情况动态比较串扰损失与搬运、退相干损失，再决定是否移动。这种前瞻式管理使ZAP能够在降低串扰和减少不必要搬运之间取得平衡。

研究团队在多种结构化的量子算法基准线路和随机3-正则线路上对ZAP进行了系统评估，并与Enola、ZAC、PowerMove等国际上代表性中性原子编译器进行比较。结果显示，ZAP在保持竞争力甚至更优执行质量的同时，显著提升了经典编译效率。

在物理执行时间方面，由于各分区编译器受相同门时间、原子移动速度以及AOD冲突处理约束影响，差距相对编译时间更小；但ZAP仍保持持续竞争力，并在许多结构化基准和随机线路场景下成为执行时间最短的方法之一。图2给出了结构化基准和随机线路上的电路物理执行时间对比。

此外，研究团队提出的ZAP的突出优势是经典编译效率。相较于加州大学洛杉矶分校的ZAC框架和加州大学圣地亚哥分校的PowerMove框架，ZAP在多个基准上将编译时间由数十秒降低至0.1秒以内，实现超过1000倍的加速；相较于Enola，ZAP在评测基准上的编译加速超过10000倍。在100量子比特随机线路上，ZAP仍能保持0.1秒以内的编译时间。图3展示了这一编译时间对比结果。

进一步的规模化测试表明，ZAP在更大量子比特数下仍保持较好的编译可扩展性。研究团队选取Ising、Cat、Adder和QFT四类代表性算法，将量子比特规模扩展至500进行评测。结果显示，即使在500量子比特规模下，ZAP的编译时间仍明显低于ZAC和PowerMove；其中，在500量子比特QFT线路上，ZAP可在一分钟以内完成编译。图4展示了这一可扩展性结果。

保真度分析表明，ZAP的优势主要来自对串扰和搬运开销的有效控制。对于具有不规则连接关系和非均匀量子比特复用模式的结构化线路，ZAP通过分区架构、前瞻式放置和动态空闲量子比特管理，有效减少了无效往返搬运和串扰累积。在随机线路中，尽管不同编译器面对的拓扑结构更均匀，ZAP仍保持了稳定的可扩展性优势。图5展示了结构化基准线路上的保真度分解结果，不同颜色分别对应两比特门、原子搬运、退相干和串扰等误差来源。

该研究表明，在中性原子量子计算迈向更大规模系统的过程中，编译器将不仅是连接算法和硬件的“翻译器”，也是影响系统吞吐率、实验反馈速度和量子云服务体验的关键基础设施。ZAP通过将硬件分区结构与非迭代编译策略相结合，把复杂的动态原子阵列映射问题转化为高效、可控的确定性流程，为未来面向大规模乃至容错量子计算的中性原子编译和软硬件协同设计提供了重要参考。

该论文共同第一作者为量子院实习生黄晨、赵茜和量子院助理研究员许宏泽，通讯作者为量子院助理研究员汪景波、副研究员胡孟军以及量子院兼聘研究员/清华大学副教授刘东。合作者还包括量子院助理研究员庄伟峰。参与单位包括清华大学、中国科学技术大学、香港中文大学和合肥国家实验室等。该工作得到国家重点研发计划、北京市自然科学基金、国家自然科学基金、量子科学技术创新计划等项目的支持。