Znanstveniki delajo na prenosu lastnosti kvantnega računalnika v klasične računalnike

Skupina znanstvenikov iz Univerza v Linköpingu so lahko prikazali, kako deluje kvantni računalnik, in lahko so simulirali njegove lastnosti v klasičnem računalniku. 

"Naši rezultati bi morali biti zelo pomembni pri določanju, kako zgraditi kvantni računalnik," je dejal profesor Jan-Åke Larsson. 

Švedska, Evropa in drugi deli sveta vlagajo velika sredstva in raziskave usmerjajo v ustvarjanje superhitrih zmogljivih kvantnih računalnikov. V desetih letih je a Švedski kvantni računalnik naj bi bila zgrajena, EU pa je kvantno tehnologijo označila za enega svojih večjih projektov. 

Trenutno imamo nekaj uporabnih algoritmov, ki jih je mogoče uporabiti za kvantne računalnike. Čeprav je tako, bo tovrstna tehnologija izjemno pomembna pri simulacijah bioloških, kemičnih in fizikalnih sistemov. Mnogi od teh so preveč zapleteni za najmočnejše računalnike, ki jih imamo zdaj. V računalniku lahko bit sprejme vrednost ena ali nič, kvantni bit pa lahko sprejme vse vrednosti vmes. To pomeni, da kvantnim računalnikom ni treba opraviti toliko operacij za vsak opravljen izračun. 

Profesor Jan-Åke Larsson in njegov doktorski študent Niklas Johansson iz Oddelek za kodiranje informacij na Oddelku za elektrotehniko, Linköping University, so ugotovili, zakaj je kvantni računalnik močnejši od klasičnega. Preučili so tudi, kaj se dogaja v kvantnem računalniku. 

Rezultati raziskave so bili objavljeni v znanstveni reviji Entropija.

»Pokazali smo, da je glavna razlika ta, da imajo kvantni računalniki dve stopnji svobode za vsak bit. S simulacijo dodatne stopnje svobode v klasičnem računalniku lahko izvajamo nekatere algoritme z enako hitrostjo, kot bi jo dosegli v kvantnem računalniku,« pravi Jan-Åke Larsson.

Ekipa je ustvarila simulacijsko orodje, imenovano Logika kvantne simulacije, ali QSL. Omogoča jim simulacijo delovanja kvantnega računalnika na klasičnem računalniku. Logika kvantne simulacije ima eno specifično lastnost, in to je edina lastnost, ki jo ima kvantni računalnik, klasični računalnik pa je nima. To je ena dodatna stopnja svobode za vsak bit, ki je del izračuna. 

»Tako ima vsak bit dve prostostni stopnji: primerjamo ga lahko z mehanskim sistemom, v katerem ima vsak del dve prostostni stopnji — položaj in hitrost. V tem primeru imamo opravka z računskimi biti – ki prenašajo informacije o rezultatu funkcije, in faznimi biti – ki prenašajo informacije o strukturi funkcije,« pojasnjuje Jan-Åke Larsson.

Orodje QSL je ekipa uporabila za preučevanje nekaterih kvantnih algoritmov, ki so odgovorni za upravljanje strukture funkcije. Mnogi od teh algoritmov so v simulacijah tako hitri, kot bi bili v kvantnem računalniku. 

»Rezultat kaže, da višja hitrost kvantnih računalnikov izhaja iz njihove sposobnosti shranjevanja, obdelave in pridobivanja informacij v eni dodatni stopnji svobode, ki prenaša informacije. To nam omogoča boljše razumevanje delovanja kvantnih računalnikov. Poleg tega bi moralo to znanje olajšati izdelavo kvantnih računalnikov, saj vemo, katera lastnost je najpomembnejša, da kvantni računalnik deluje po pričakovanjih,« pravi Jan-Åke Larsson.

Ekipa je izdelala tudi fizično različico z elektronskimi komponentami. Uporabili so vrata, ki so podobna tistim v kvantnih računalnikih, in komplet orodij simulira, kako kvantni računalnik deluje. To lahko študentom in drugim omogoči simulacijo in razumevanje delovanja kvantne kriptografije in kvantne teleportacije, med drugimi vidiki kvantnih računalnikov. 

Ta nova raziskava lahko pripomore k naraščajočemu prehodu med kvantnim računalništvom in umetno inteligenco. Eden od teh prehodov je preslikava funkcij. Druge raziskave, ki jih je izvedel IBM -ove raziskave, MIT in znanstveniki z Oxforda so pokazali, da bodo kvantni računalniki, ko bodo postali zmogljivejši, sposobni izvajati preslikavo funkcij na zelo zapletenih podatkovnih strukturah, česar klasični računalniki ne zmorejo. Preslikava funkcij je pomembna v okviru strojnega učenja in lahko vodi do učinkovitejše umetne inteligence, ki bi lahko identificirala vzorce v podatkih, ki jih klasični računalniki ne morejo zaznati. 

Ker bo na teh področjih vedno več raziskav, bo na teh dveh pomembnih področjih vedno več križanj.