数值优化是一类有代表性的计算问题，在科学计算、量化分析、策略制定等不同的场景中都会出现。而在经典计算机上数值优化往往效率不高，比如组合优化就是NP-难的问题。近期随着量子器件的发展，利用量子计算的优势进行量子优化成为可能。量子优化有望在未来几年实现具有应用场景的显著量子优势。但是，量子优化直接的二进制编码对应的物理模型是一个全局长程耦合的自旋玻璃，其实验实现非常困难，不具有大规模可拓展性。

李晓鹏课题组与奥地利因斯布鲁克大学的Peter Zoller教授合作，将任意长程耦合的自旋玻璃映射到了三维正方格子上的局域耦合自旋玻璃模型，为量子优化提供了一个大规模可拓展的新型编码架构，可以在原子平台比如里德堡原子、光晶格等系统上实现。11月6日，研究成果以《Programmable Quantum Annealing Architectures with Ising Quantum Wires》为题，发表于PRX Quantum 1, 020311 (2020)，并获得了编辑推荐。

该研究的核心是将一个量子比特编码成一维的Ising耦合自旋链，N个量子比特就编码成了铺在一个平面上的N个一维自旋链【见下图】。而每两个量子比特之间的长程耦合可以通过引入一条一维Ising局域耦合的量子线来构建，系统中N平方个长程耦合对应的量子线可以按照特定的数学规则分配在不同的与编码平面垂直的法平面中，并保证不同的量子线不交叉。这样，作者把一个零维但全局耦合的模型通过升至三维的方式映射成了一个局域耦合的模型，转换成了实验中大规模可拓展的模型，就完成了对量子优化问题的“降维打击”。

1: 量子淬火的三维局域编码示意图。

研究发现，这种新型量子优化局域编码架构对读出噪声有天然的容错性，对热涨落也具有较好的鲁棒性。作者通过数值模拟， 论证了该新型架构对最大切割、质因数分解等复杂计算问题有效。研究结合此前发表的工作【npj Quantum Information 6, 87 (2020)】进一步给出了基于原子器件的具体实验方案。

研究获得复旦大学物理系、应用与表面物理重点国家实验室、上海量子科学中心、国家重点研发计划、国家自然科学基金委资助。论文第一单位为复旦大学，复旦大学物理系的博士后邱型泽（国家博士后创新研究计划资助）是论文的第一作者，李晓鹏教授是论文的通讯作者。