Tutkijat työskentelevät kvanttitietokoneiden ominaisuuksien tuomiseksi klassisiin tietokoneisiin

Linköpin yliopiston tutkijaryhmä on onnistunut osoittamaan, miten kvanttitietokone toimii, ja he pystyvät simuloimaan sen ominaisuuksia klassisessa tietokoneessa.

“Tuloksemme ovat erittäin merkittäviä kvanttitietokoneen rakentamisessa”, professori Jan-Åke Larsson sanoi.

Ruotsi, Eurooppa ja muut maailman osat ovat panostaneet suuria resursseja ja keskittyneet tutkimukseen supernopeiden ja tehokkaiden kvanttitietokoneiden luomiseksi. Kymmenen vuoden kuluessa odotetaan, että Ruotsiin rakennetaan kvanttitietokone, ja EU on määritellyt kvanttiteknologian yhdeksi tärkeimmistä hankkeistaan.

Tällä hetkellä meillä on vain muutamia hyödyllisiä algoritmeja, joita voidaan käyttää kvanttitietokoneissa. Vaikka näin on, tämänlainen teknologia on erittäin tärkeä biologisten, kemiallisten ja fysikaalisten järjestelmien simuloimisessa. Monet näistä järjestelmistä ovat liian monimutkaisia nykyisille tehokkaille tietokoneille. Tietokoneessa bitillä on arvo yksi tai nolla, mutta kvantubitillä on kaikki arvot välillä. Tämä tarkoittaa, että kvanttitietokoneet eivät tarvitse niin monta operaatiota kunkin laskelman suorittamiseen.

Professori Jan-Åke Larsson ja hänen väitöskirjaoppilaansa Niklas Johansson, Linköpin yliopiston sähkötekniikan laitoksen tietokoodauksen jaottelusta, ovat selvittäneet, miksi kvanttitietokone on voimakkaampi kuin klassinen tietokone. He ovat myös tutkineet, mitä tapahtuu kvanttitietokoneessa.

Tutkimuksen tulokset on julkaistu tieteellisessä aikakauslehdessä Entropy.

“Olemme osoittaneet, että suurin ero on, että kvanttitietokoneissa on kaksi vapausastetta kullekin bittiarvolle. Simuloimalla yhden vapausasteen klassisessa tietokoneessa voimme suorittaa joitakin algoritmeja samalla nopeudella kuin ne suoritettaisiin kvanttitietokoneessa”, Jan-Åke Larsson sanoo.

Tutkijaryhmä on luonut simulaatiotyökalun nimeltä Quantum Simulation Logic, tai QSL. Se mahdollistaa kvanttitietokoneen toiminnan simuloimisen klassisessa tietokoneessa. Quantum Simulation Logicilla on yksi tietty ominaisuus, jota klassinen tietokone ei omaa. Se on yksi lisävapausaste kullekin laskennan bittiarvolle.

“Jokaisella bittiarvolla on kaksi vapausastetta: se voidaan verrata mekaaniseen järjestelmään, jossa jokaisella osalla on kaksi vapausastetta – sijainti ja nopeus. Tässä tapauksessa käsittelemme laskennan bittejä, jotka sisältävät tietoa funktion tuloksesta, ja vaiheen bittejä, jotka sisältävät tietoa funktion rakenteesta”, Jan-Åke Larsson selittää.

QSL-työkalua on käytetty tutkimaan joitakin kvanttalgoritmeja, jotka vastaavat funktion rakenteen hallinnasta. Monet näistä algoritmeista ovat yhtä nopeita simulaatioissa kuin ne olisivat kvanttitietokoneessa.

“Tulokset osoittavat, että kvanttitietokoneiden suurempi nopeus johtuu niiden kyvystä tallentaa, prosessoida ja palauttaa tietoa yhdessä lisätietoa sisältävässä vapausasteessa. Tämä mahdollistaa meille kvanttitietokoneiden toiminnan paremman ymmärtämisen. Tämä tieto myös helpottaa kvanttitietokoneiden rakentamista, koska tiedämme, mikä ominaisuus on tärkein kvanttitietokoneen toiminnalle”, Jan-Åke Larsson sanoo.

Tutkijaryhmä on myös rakentanut fyysisen version, jossa on elektroniset komponentit. He käyttivät portteja, jotka ovat samanlaisia kuin kvanttitietokoneissa, ja työkalu simuloii, miten kvanttitietokone toimii. Tämä mahdollistaa opiskelijoille ja muille simuloida ja ymmärtää, miten kvanttikryptografia ja kvanttitietokoneiden toiminta toimivat, muun muassa.

Tämä uusi tutkimus voi lisätä yhdenmukaisuutta kvanttilaskennan ja tekoälytutkimuksen välillä. Yksi näistä yhdenmukaisuuksista on ominaisuusmääritys. IBM:n, MIT:n ja Oxfordin tutkijoiden tekemä tutkimus on osoittanut, että kun kvanttitietokoneet tulevat tehokkaammiksi, ne pystyvät suorittamaan ominaisuusmääritystä monimutkaisilla tietorakenteilla, mitä klassiset tietokoneet eivät pysty tekemään. Ominaisuusmääritys on tärkeä tekoälyssä, ja se voi johtaa tehokkaampiin tekoälyjärjestelmiin, jotka voivat tunnistaa kuvioita tietojen joukossa, joita klassiset tietokoneet eivät pysty havaitsemaan.

Kun tutkimusta tehdään näissä aloissa yhä enemmän, siitä seuraa yhä enemmän yhdenmukaisuutta näiden kahden tärkeän alan välillä.