Forskare arbetar med att föra över egenskaper från kvantdatorer till klassiska datorer

En grupp forskare från Linköpings universitet har kunnat demonstrera hur en kvantdator fungerar, och de har kunnat simulera egenskaperna i en klassisk dator. 

“Våra resultat bör vara mycket betydelsefulla för att bestämma hur man bygger en kvantdator,” säger professor Jan-Åke Larsson. 

Sverige, Europa och andra delar av världen har investerat stora resurser och fokuserat på att skapa super-snabba och kraftfulla kvantdatorer. Inom tio år förväntas en svensk kvantdator att byggas, och EU har utsett kvantteknologi som ett av sina stora projekt. 

För närvarande har vi få användbara algoritmer som kan användas för kvantdatorer. Trots det kommer denna typ av teknik att vara extremt viktig för simuleringar av biologiska, kemiska och fysiska system. Många av dessa är för komplexa för de kraftfullaste datorerna som vi har idag. I en dator kan en bit ta värdet ett eller noll, men en kvantbit kan ta alla värden däremellan. Detta innebär att kvantdatorer inte behöver utföra så många operationer för varje beräkning som utförs. 

Professor Jan-Åke Larsson och hans doktorand Niklas Johansson, från Avdelningen för informationskodning vid Institutionen för elektroteknik, Linköpings universitet, har kommit fram till varför en kvantdator är kraftfullare än en klassisk. De har också undersökt vad som händer inom en kvantdator. 

Resultaten från forskningen har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Entropy.

“Vi har visat att den stora skillnaden är att kvantdatorer har två graders frihet för varje bit. Genom att simulera en extra grad av frihet i en klassisk dator kan vi köra vissa av algoritmerna med samma hastighet som de skulle uppnå i en kvantdator,” säger Jan-Åke Larsson.

Teamet har skapat ett simuleringsverktyg som kallas Quantum Simulation Logic, eller QSL. Det tillåter dem att simulera en kvantdators drift i en klassisk dator. Quantum Simulation Logic har en specifik egenskap, och det är den enda egenskapen som en kvantdator har och en klassisk dator inte har. Det är en extra grad av frihet för varje bit som är en del av beräkningen. 

“Alltså har varje bit två graders frihet: det kan jämföras med ett mekaniskt system där varje del har två graders frihet – position och hastighet. I det här fallet handlar det om beräkningsbitar – som bär information om resultatet av funktionen, och fasbitar – som bär information om funktionens struktur,” förklarar Jan-Åke Larsson.

QSL-verktyget har använts av teamet för att studera vissa av de kvantalgoritmer som är ansvariga för att hantera funktionens struktur. Många av dessa algoritmer är lika snabba i simuleringarna som de skulle vara i en kvantdator. 

“Resultatet visar att den högre hastigheten i kvantdatorer kommer från deras förmåga att lagra, bearbeta och hämta information i en extra informationsbärande grad av frihet. Detta gör att vi bättre förstår hur kvantdatorer fungerar. Dessutom bör denna kunskap göra det lättare att bygga kvantdatorer, eftersom vi vet vilken egenskap som är mest viktig för att kvantdatorn ska fungera som förväntat,” säger Jan-Åke Larsson.

Teamet har också byggt en fysisk version med elektroniska komponenter. De använde grindar som liknar de i kvantdatorer, och ett verktyg simulerar hur kvantdatorn fungerar. Detta kan tillåta studenter och andra att simulera och förstå hur kvantkryptering och kvantteleportation fungerar, bland annat. 

Denna nya forskning kan bidra till den ökande överlappningen mellan kvantberäkning och artificiell intelligens. En av dessa överlappningar är funktionell mappning. Andra forskningar som utförts av IBM Research, MIT och Oxford-forskare har visat att när kvantdatorer blir mer kraftfulla, kommer de att kunna utföra funktionell mappning på högt komplexa datastrukturer, något som klassiska datorer inte kan göra. Funktionell mappning är viktig inom maskinlärning, och det kan leda till mer effektiv AI som kan identifiera mönster i data som klassiska datorer inte kan upptäcka. 

Allt eftersom mer forskning sker inom dessa områden, kommer det att finnas alltmer överlappning mellan de två viktiga områdena.