De sprider ljus över kvantdatorn

Jan Åke Larsson med några av de kretsar som simulerar hur en kvantdator fungerar. Foto Karl ÖfverströmDrömmen om den supersnabba och kraftfulla kvantdatorn har fått ny aktualitet och stora forskningsresurser satsas i Sverige, Europa och världen. Inom mindre än tio år ska bygget av en svensk kvantdator stå klart och EU har utsett kvanttekniken till ett av sina flaggskeppsprojekt.

Ännu så länge finns det bara ett litet antal användbara algoritmer för kvantdatorer, men tekniken förväntas få stor betydelse för att simulera biologiska, kemiska och fysikaliska system som i dagens mest kraftfulla datorer ändå blir alltför komplicerade. När en bit i en dator bara kan bestå av värdet ett eller noll kan en kvantbit även bestå av alla värden Niklas Johansson Foto Thor Balkheddäremellan. Förenklat innebär det att kvantdatorn inte behöver lika många operationer för varje utförd beräkning.

Två frihetsgrader

Professor Jan-Åke Larsson och hans doktorand Niklas Johansson, avdelningen Informationskodning vid Institutionen för systemteknik, Linköpings universitet, har nu i en artikel i tidskriften Entropy gått till botten med vad det är som händer i en kvantdator och varför den är mer kraftfull än en klassisk dator.

– Vi har visat att den stora skillnaden ligger i att kvantdatorn har två frihetsgrader för varje bit. Genom att simulera ytterligare en frihetsgrad i en klassisk dator kan vi köra några av algoritmerna i samma hastighet som de skulle ha fått i en kvantdator, säger Jan-Åke Larsson.

Jan-Åke Larsson  Foto Thor BalkhedDe har tagit fram ett simuleringsverktyg, Quantum Simulation Logic, QSL, med vars hjälp de kan simulera kvantdatorns funktion i en klassisk dator. Simuleringsverktyget innehåller en, och endast en, egenskap som en kvantdator har, men inte en klassisk dator: en extra frihetsgrad för varje bit som ingår i beräkningen.

– Varje bit har då två frihetsgrader, det kan jämföras med ett mekaniskt system där varje del har två frihetsgrader - position och hastighet. Här handlar det istället om beräkningsbitar - som bär information om funktionens resultat, och fasbitar - som bär information om funktionens struktur, säger Jan-Åke Larsson.

Effektiv simulering

Med hjälp av simuleringsverktyget har de studerat några av de kvant-algoritmer som hanterar funktionens struktur. Flera av algoritmerna går lika snabbt i simuleringen som de skulle gjort i en kvantdator.

– Resultatet visar att den högre kvanthastigheten beror på förmågan att lagra, bearbeta och hämta information i ytterligare en informationsbärande frihetsgrad. Detta ger en ny förståelse för hur kvantdatorer fungerar. Det är också en kunskap som borde göra det lättare att bygga kvantdatorer eftersom vi visar vilken egenskap som är viktigast för att kvantdatorn ska fungera som förväntat, säger Jan-Åke Larsson.

Avknoppningsföretag

Jan-Åke Larsson och hans medarbetare har också kompletterat sitt teoretiska simuleringsverktyg med en version i elektronik, men kvantdatorlika grindar, som simulerar hur en kvantdator fungerar. Med hjälp av en verktygslåda kan exempelvis studenter simulera och förstå hur kvantkryptering och kvantteleportation fungerar liksom ett par av de vanligaste kvantdatoralgoritmerna, bland annat Shor´s algoritm för faktorisering.

2017 startade LiU-forskarna ett företag som nyligen listades av webbtidningen EU-startups som ett av de tio mest intressanta start-up-företagen i Europa som kyler ner hajpen kring kvantdatorer.

Fotnot Rubriken ”10 European startups cooling down the crazy world of quantum computing” är dubbeltydig och syftar på det faktum att kvantdatorer normalt kräver kraftig kylning för att fungera.

Quantum Simulation Logic, Oracles, and the Quantum Advantage
Niklas Johansson and Jan-Åke Larsson
Institutionen för Systemteknik, Linköpings Universitet, 581 83 Linköping, Sweden
Entropy 2019 DOI 10.3390/e21080800

Läs också 10 European startups cooling down the crazy world of quantum computing