量子计算机经常被定义为一种未来的技术，但其实已经存在许多量子计算设备。然而，由于目前没有就单一的通用量子计算机的设计达成共识，因此去确定每个现有设备的最佳用途可能会望而却步。

最近，奥地利因斯布鲁克大学的研究人员开始解决部分问题，他们提出了一种使用极冷原子来实现量子优化算法的新方法。他们的理论工作可以揭示在不久的将来如何利用现有量子计算设备的优势，来找到解决物流、能源和金融领域的实际问题的有效方法。

因斯布鲁克的这项研究工作集中在量子近似优化算法(QAOA)上，该算法从原子级物理系统的能量角度重新定义了优化。例如，物理学家可以解决一个等价的问题，即确定某些相互作用的原子系统所假定的最低能量，而不是试图寻找平衡电网的最佳方法。在他们的研究中，原始问题的细节被编码成特定的原子间相互作用。

因斯布鲁克大学物理学家、描述这项新研究的论文合著者Wolfgang Lechner解释说，控制这些相互作用(通常是在彼此相距很远的原子之间)是这种方法的巨大实验挑战。他说：“为了在量子模拟设备上实现优化问题，必须在物理上建立这些相互作用，这一般几乎是不可能的。我们工作的最初动机是将一切都简化为本地的互动。这从而开启了许多可能性。”

Lechner及其同事提出的新方案依赖于一个数学图，该图将优化过程转化为实验，只需要精确校准附近原子之间的相互作用。在他们的研究中，他们模拟了如何在一个由光镊和里德堡原子捕获的电中性原子系统中实现这一点，这些原子比其他原子更有活力，也更大。这样的实验室配置在世界上许多研究型大学甚至在一些商业初创公司中都很容易实现。

荷兰阿姆斯特丹大学的物理学家Jiri Minar没有参与这项研究，但他指出：“近年来，使用里德堡原子进行量子计算的平台数量激增。”他解释说，光镊可以让物理学家在空间中创造任意排列的原子，并且有标准的实验程序来控制里德堡原子之间的强相互作用。

在因斯布鲁克团队的实验模型中，持续时间不到一微秒的激光脉冲被用于同时设置由这些原子组成的四个量子比特间的相互作用。Minar说，这种实验的简单性是该提案能够实用化的一大卖点。

因斯布鲁克的物理学家和该研究团队的成员Rick van Bijnen强调说：“这是一个用于控制交互的单个量子逻辑门，通常你需要一系列实际上是为其他任务而设计的门。”

法国量子处理器初创公司Pasqal的物理学家兼首席技术官Loic Henriet评论说：“这是一种实现四量子比特门的新方法，它是在里德堡原子上实现QAOA所需的东西。只需几个激光脉冲，你就可以相当高效地完成这项工作。”他还表示，在实验性实施QAOA方面取得的进展可能会产生广泛的影响，因为它的适用范围包括从解决后勤问题到平衡金融投资组合等各个领域。

虽然这项新研究还只是理论上的，但因斯布鲁克团队热衷于与实验保持同步。该论文的主要作者Clemens Dlaska解释说，为了期待原理验证实验，他们已经在数值上测试了其方案是否可以在存在噪声的情况下工作。由于数值模拟只能处理少量的量子比特(仅为20个而不是几百个)，因此有希望的结果仍需要在实验室进行更多的探索。

van Bijnen说：“现有的量子设备实际上可以做我们用经典计算机无法计算的事情。问题是我们能否利用这种明显已经存在的计算能力。做任意问题的计算还有点不现实，所以我们现在正在研究是否可以很好地将某些问题与可用的量子硬件相匹配。”他补充说，目前许多涉及里德堡原子的实验可能不需要对已经使用的仪器进行任何根本性的改变。

Lechner说，自该研究发表以来，来自学术和商业实验室的科学家一直在与他的团队联系。这鼓励了其团队继续研究数学模型，以使他们的提案更有效率。van Bijnen说：“我们不只是在等着实验变得更好”。他们的这些研究发表在近期的《物理评论快报》上。