Lille kvantecomputer løser reelt optimeringsproblem

Kvantecomputere har allerede formået at overgå almindelige computere til at løse visse opgaver - desværre helt ubrugelige. Den næste milepæl er at få dem til at gøre nyttige ting. Forskere ved Chalmers University of Technology, Sverige, har nu vist, at de kan løse en lille del af et reelt logistikproblem med deres små, men velfungerende kvantecomputer.

Interessen for at bygge kvantecomputere har taget betydelig fart i de seneste år, og febrilsk arbejde er i gang i mange dele af verden. I 2019, Googles forskerhold fik et stort gennembrud, da deres kvantecomputer formåede at løse en opgave langt hurtigere end verdens bedste supercomputer. Bagsiden er, at den løste opgave overhovedet ikke havde praktisk brug - den blev valgt, fordi den blev vurderet til at være let at løse for en kvantecomputer, alligevel meget svært for en konventionel computer. Derfor, en vigtig opgave er nu at finde nyttig, relevante problemer, der er uden for rækkevidde af almindelige computere, men som en relativt lille kvantecomputer kunne løse.

"Vi vil være sikre på, at den kvantecomputer, vi udvikler, kan hjælpe med at løse relevante problemer tidligt. Derfor, vi arbejder i tæt samarbejde med industrielle virksomheder, "siger den teoretiske fysiker Giulia Ferrini, en af ​​lederne af Chalmers University of Technology's kvantecomputerprojekt, som begyndte i 2018.

Sammen med Göran Johansson, Giulia Ferrini ledede det teoretiske arbejde, da et team af forskere på Chalmers, herunder en industriel doktorand fra luftfartslogistikfirmaet Jeppesen, viste for nylig, at en kvantecomputer kan løse et eksempel på et reelt problem i luftfartsindustrien.

Alle flyselskaber står over for planlægningsproblemer. For eksempel, at tildele individuelle fly til forskellige ruter repræsenterer et optimeringsproblem, der vokser meget hurtigt i størrelse og kompleksitet, efterhånden som antallet af ruter og fly stiger. Forskere håber, at kvantecomputere i sidste ende vil være bedre til at håndtere sådanne problemer end nutidens computere. Den grundlæggende byggesten i kvantecomputeren - qubit - er baseret på helt andre principper end bitene på konventionelle computere, giver dem mulighed for at håndtere enorme mængder information med relativt få qubits.

Imidlertid, på grund af deres struktur og funktion, kvantecomputere har andre programmeringskrav end konventionelle computere. En foreslået algoritme, der menes at være nyttig på tidlige kvantecomputere, er den såkaldte quantum approximate optimization algoritme (QAOA). Chalmers -forskergruppen har nu med succes udført denne algoritme på deres kvantecomputer - en processor med to qubits - og viste, at det med succes kan løse problemet med at tildele fly til ruter. I denne første demonstration, resultatet kunne let verificeres, da skalaen var meget lille - det involverede kun to fly.

Mulighed for at håndtere mange fly

Med denne bedrift, forskerne skulle først vise, at QAOA -algoritmen kan løse problemet med at tildele fly til ruter i praksis. De formåede også at køre algoritmen et niveau længere end nogen tidligere, en præstation, der kræver meget god hardware og præcis kontrol.

"Vi har vist, at vi har evnen til at kortlægge relevante problemer på vores kvanteprocessor. Vi har stadig et lille antal qubits, men de fungerer godt. Vores plan har været at først få alt til at fungere meget godt i lille skala, før skalering, siger Jonas Bylander, seniorforsker med ansvar for det eksperimentelle design og en af ​​lederne af projektet med at bygge en kvantecomputer på Chalmers.

Teoretikerne i forskergruppen simulerede også at løse det samme optimeringsproblem for op til 278 fly, hvilket ville kræve en kvantecomputer med 25 qubits. "Resultaterne forblev gode, da vi skalerede op. Dette tyder på, at QAOA -algoritmen har potentiale til at løse denne type problemer på endnu større skalaer, ”siger Giulia Ferrini.

At overgå dagens bedste computere ville, imidlertid, kræver meget større enheder. Forskerne på Chalmers er nu begyndt at skalere op og arbejder i øjeblikket med fem kvantebits. Planen er at nå mindst 20 qubits inden 2021 og samtidig opretholde den høje kvalitet.