Forskere ser på støjende kvantecomputer

Forskere fra CSC – IT-center for videnskab, Aalto University og Åbo Akademi og deres samarbejdspartnere fra Boston University i USA har for første gang demonstreret, hvordan støjen påvirker kvantecomputere på en systematisk måde. Resultaterne er offentliggjort i det prestigefyldte tidsskrift Fysisk gennemgangsbreve .

I en klassisk computer, alle data er opdelt til sekvenser af bit med værdierne nul og 1, og disse to værdier svarer til "tændt" eller "slukket" tilstande af de millioner af små elektroniske kontakter i computerens processorenhed og hukommelse.

Ifølge kvantemekanikkens principper, begrebet en bit kan generaliseres til en "qubit, " hvis tilstand både kan være nul og én på samme tid og på mange forskellige måder (en superposition). En kvantecomputer kan bygges ved hjælp af et stort antal af disse qubits, som skal programmeres ved hjælp af helt nye algoritmer og sprog. En kvantecomputer kan i princippet løse problemer, som er praktisk talt umulige at løse på en klassisk computer – f.eks. design af nye molekyler eller materialer med ønskede egenskaber ved beregninger på atom- og elektronisk niveau (hvilket i sig selv kræver brug af kvantemekanik).

Fra at have været et teoretisk koncept, der hovedsageligt blev udforsket i universitetslaboratorier, kvantecomputere dukker nu hurtigt op på den kommercielle scene. De tilgængelige maskiner er stadig stort set eksperimentelle, og bruges af virksomheder og forskningsinstitutioner til at udforske potentielle applikationer og forberede sig på den forventede æra af "kvanteoverherredømme" (hvilket betyder, at kvantecomputere bliver mere kraftfulde end klassiske, i det mindste for nogle problemer).

Qubits er meget følsomme over for støj

En stor udfordring er, at qubits er meget følsomme over for støj, der hurtigt kan ødelægge deres kvantesuperpositionstilstande. Selv hvis enhederne afkøles til kun en brøkdel af en grad over det absolutte temperaturnulpunkt for at minimere støjen fra det termiske miljø, superpositionstilstandenes levetid er stadig meget kort, ofte mindre end et mikrosekund.

Med en type kvantecomputer produceret af det canadiske firma D-Wave Systems, visse optimeringsproblemer kan løses ved princippet om kvanteudglødning. Her ændres kvanteegenskaberne for qubitterne gradvist på en sådan måde, at de til sidst "kvantefryser" til løsning af problemet programmeret på enheden. Imidlertid, denne proces er følsom over for støj på en måde, der ikke er godt forstået.

Nu er et team af forskere fra tre finske institutioner (CSC, Aalto Universitet, og Abo Akademi University) og deres samarbejdspartnere fra Boston University i USA har for første gang demonstreret, hvordan støjen påvirker en beregning på en systematisk måde. Ved at variere den tid, over hvilken kvanteegenskaberne for qubits ændres (fra mikrosekunder til millisekunder) og studere forskellige antal koblede qubits i en D-Wave-enhed, de var i stand til at bekræfte et generelt princip om defektskabelse (betyder fejl i beregningen).

Ifølge dette princip, en længere regnetid skulle give et bedre resultat, men forskerne fandt ud af, at støjen negativt påvirker resultaterne mere, hvis tiden er længere. De forklarede denne adfærd med en matematisk model, som vil være et nyttigt værktøj til at diagnosticere fremtidige kvanteudglødningsanordninger og finde de bedste måder at betjene dem på.

Ifølge teammedlem Anders Sandvik (Boston University), kvanteudglødningsanordninger kan snart blive vigtige værktøjer til at simulere kvanteadfærd af stof, når mængden af ​​støj er yderligere reduceret.

"Holdets succesfulde arbejde repræsenterer den første store finske forskningsindsats om kvanteudglødningsparadigmet for kvanteberegning, sagde Jan Åström, teammedlem fra CSC. "Kvantecomputere udvikler sig hurtigt, og CSC planlægger yderligere projekter for at fremme opbygningen af ​​stærk finsk kompetence inden for dette kritiske frontområde for videnskab og teknologi."