Spreder lys over kvantecomputere

Forskere ved Linköpings universitet har vist, hvordan en kvantecomputer virkelig fungerer, og det er lykkedes dem at simulere kvantecomputeregenskaber i en klassisk computer. "Vores resultater bør have stor betydning for at bestemme, hvordan vi bygger kvantecomputere, ”siger professor Jan-Åke Larsson.

Drømmen om superhurtige og kraftfulde kvantecomputere er igen blevet bragt i fokus, og der er investeret store ressourcer i forskning i Sverige, Europa og verden. En svensk kvantecomputer skal bygges inden for ti år, og EU har udpeget kvanteteknologi til et af sine flagskibsprojekter. I øjeblikket, få nyttige algoritmer er tilgængelige til kvantecomputere, men det forventes, at teknologien vil være enormt vigtig i simuleringer af biologiske, kemiske og fysiske systemer, der er alt for komplicerede til selv de mest kraftfulde computere, der findes i øjeblikket. En smule i en computer kan kun tage værdien en eller nul, men en kvantebit kan tage alle værdier imellem. Kort fortalt, det betyder, at kvantecomputere ikke behøver at tage så mange operationer for hver beregning, de udfører.

To frihedsgrader

Professor Jan-Åke Larsson og hans doktorand Niklas Johansson, i afdelingen for informationskodning på Institut for Elektroteknik, Linköpings universitet, er kommet i gang med, hvad der sker i en kvantecomputer, og hvorfor den er mere kraftfuld end en klassisk computer. Deres resultater er blevet offentliggjort i det videnskabelige tidsskrift Entropy.

"Vi har vist, at den store forskel er, at kvantecomputere har to frihedsgrader for hver bit. Ved at simulere en yderligere frihedsgrad i en klassisk computer, vi kan køre nogle af algoritmerne med samme hastighed, som de ville opnå i en kvantecomputer, ”siger Jan-Åke Larsson.

De har konstrueret et simuleringsværktøj, Quantum Simulation Logic, QSL, der gør dem i stand til at simulere driften af ​​en kvantecomputer i en klassisk computer. Simuleringsværktøjet indeholder et, og kun en, egenskab, som en kvantecomputer har, som en klassisk computer ikke har:en ekstra frihedsgrad for hver bit, der er en del af beregningen.

"Dermed, hver bit har to frihedsgrader:den kan sammenlignes med et mekanisk system, hvor hver del har to frihedsgrader - position og hastighed. I dette tilfælde, vi beskæftiger os med beregningsbits - som indeholder oplysninger om resultatet af funktionen, og fase -bits - som bærer information om funktionens struktur, ”Forklarer Jan-Åke Larsson.

Kvantealgoritmer

De har brugt simuleringsværktøjet til at studere nogle af de kvantealgoritmer, der styrer funktionens struktur. Flere af algoritmerne kører lige så hurtigt i simuleringen, som de ville i en kvantecomputer.

"Resultatet viser, at den højere hastighed i kvantecomputere kommer fra deres evne til at lagre, behandle og hente oplysninger i en yderligere informationsbærende frihedsgrad. Dette gør os i stand til bedre at forstå, hvordan kvantecomputere fungerer. Også, denne viden skulle gøre det lettere at bygge kvantecomputere, da vi ved, hvilken egenskab der er vigtigst for, at kvantecomputeren fungerer som forventet, ”siger Jan-Åke Larsson.

Jan-Åke Larsson og hans kolleger har også suppleret deres teoretiske simuleringer med en fysisk version bygget med elektroniske komponenter. Portene ligner dem, der bruges i kvantecomputere, og værktøjssættet simulerer, hvordan en kvantecomputer fungerer. Med dens hjælp studerende, for eksempel, kan simulere og forstå, hvordan kvantekryptografi og kvanteteleportation fungerer, og også nogle af de mest almindelige kvanteberegningsalgoritmer, såsom Shors algoritme til faktorisering. (Algoritmen fungerer i den aktuelle version af simuleringen, men er lige så hurtig - eller langsom - som i klassiske computere).