Wetenschappers werken aan het brengen van eigenschappen van quantumcomputers naar klassieke computers

Een groep wetenschappers van de Linköping Universiteit hebben kunnen aantonen hoe een quantumcomputer werkt en hebben de eigenschappen ervan gesimuleerd in een klassieke computer.

“Onze resultaten zouden zeer belangrijk moeten zijn bij het bepalen van hoe een quantumcomputer moet worden gebouwd,” zei professor Jan-Åke Larsson.

Zweden, Europa en andere delen van de wereld hebben grote middelen geïnvesteerd en onderzoek gericht op het creëren van super snelle en krachtige quantumcomputers. Binnen tien jaar wordt een Zweedse quantumcomputer verwacht te worden gebouwd en de EU heeft quantumtechnologie als een van zijn belangrijkste projecten bestempeld.

Momenteel hebben we weinig bruikbare algoritmes die kunnen worden gebruikt voor quantumcomputers. Ondanks dat, zal deze technologie extreem belangrijk zijn bij simulaties van biologische, chemische en fysieke systemen. Veel van deze systemen zijn te complex voor de meest krachtige computers die we nu hebben. In een computer kan een bit de waarde van één of nul hebben, maar een quantumbit kan alle waarden ertussen aannemen. Dit betekent dat quantumcomputers niet zo veel operaties nodig hebben voor elke berekening die wordt uitgevoerd.

Professor Jan-Åke Larsson en zijn promovendus Niklas Johansson, van de Afdeling voor Informatie Codificatie aan de Afdeling Elektrotechniek, Linköping Universiteit, hebben veel van de redenen achterhaald waarom een quantumcomputer krachtiger is dan een klassieke computer. Ze hebben ook onderzocht wat er gebeurt binnen een quantumcomputer.

De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Entropy.

“We hebben aangetoond dat het belangrijkste verschil is dat quantumcomputers twee graden van vrijheid hebben voor elk bit. Door een extra graad van vrijheid te simuleren in een klassieke computer, kunnen we sommige algoritmes uitvoeren met dezelfde snelheid als ze zouden bereiken in een quantumcomputer,” zegt Jan-Åke Larsson.

Het team heeft een simulatietool genaamd Quantum Simulation Logic, of QSL, gemaakt. Het stelt hen in staat om de werking van een quantumcomputer te simuleren op een klassieke computer. De Quantum Simulation Logic heeft één specifieke eigenschap, en dat is de enige eigenschap die een quantumcomputer heeft en een klassieke computer niet. Dat is één extra graad van vrijheid voor elk bit dat deel uitmaakt van de berekening.

“Dus, elk bit heeft twee graden van vrijheid: het kan worden vergeleken met een mechanisch systeem waarin elk onderdeel twee graden van vrijheid heeft – positie en snelheid. In dit geval gaan we om met berekeningsbits – die informatie dragen over het resultaat van de functie, en fasebits – die informatie dragen over de structuur van de functie,” legt Jan-Åke Larsson uit.

De QSL-tool is door het team gebruikt om enkele van de quantumalgoritmes te bestuderen die verantwoordelijk zijn voor het beheren van de structuur van de functie. Veel van deze algoritmes zijn even snel in de simulaties als ze zouden zijn in een quantumcomputer.

“Het resultaat toont aan dat de hogere snelheid in quantumcomputers voortkomt uit hun vermogen om informatie op te slaan, te verwerken en op te halen in één extra informatie-dragende graad van vrijheid. Dit stelt ons in staat om beter te begrijpen hoe quantumcomputers werken. Ook moet deze kennis het makkelijker maken om quantumcomputers te bouwen, aangezien we weten welke eigenschap het meest belangrijk is voor de quantumcomputer om te werken zoals verwacht,” zegt Jan-Åke Larsson.

Het team heeft ook een fysieke versie met elektronische componenten gebouwd. Ze gebruikten poorten die vergelijkbaar zijn met die in quantumcomputers en een toolkit simuleert hoe de quantumcomputer werkt. Dit kan studenten en anderen in staat stellen om te simuleren en te begrijpen hoe quantumcryptografie en quantumteleportatie werken, onder andere aspecten van quantumcomputers.

Dit nieuwe onderzoek kan bijdragen aan de toenemende kruising tussen quantumcomputing en kunstmatige intelligentie. Een van deze kruisingen is feature mapping. Andere onderzoeken die zijn uitgevoerd door IBM Research, MIT en Oxford-wetenschappers hebben aangetoond dat, naarmate quantumcomputers krachtiger worden, ze in staat zullen zijn om feature mapping uit te voeren op zeer complexe gegevensstructuren, iets wat klassieke computers niet kunnen doen. Feature mapping is belangrijk binnen machine learning en kan leiden tot meer effectieve AI die patronen in gegevens kan identificeren die klassieke computers niet kunnen detecteren.

Naarmate meer onderzoek plaatsvindt in deze gebieden, zal er steeds meer kruising zijn tussen de twee belangrijke gebieden.