Forskare vid Linköpings universitet har visat hur en kvantdator verkligen fungerar och har lyckats simulera kvantdatoregenskaper i en klassisk dator. "Våra resultat bör vara mycket viktiga för att bestämma hur vi bygger kvantdatorer, säger professor Jan-Åke Larsson.

Drömmen om supersnabba och kraftfulla kvantdatorer har åter fått fokus, och stora resurser har investerats i forskning i Sverige, Europa och världen. En svensk kvantdator ska byggas inom tio år, och EU har utsett kvantteknik till ett av sina flaggskeppsprojekt. Just nu, få användbara algoritmer är tillgängliga för kvantdatorer, men det förväntas att tekniken kommer att få enorm betydelse i simuleringar av biologiska, kemiska och fysiska system som är alldeles för komplicerade för även de mest kraftfulla datorer som för närvarande finns. En bit i en dator kan bara ta värdet ett eller noll, men en kvantbit kan ta alla värden däremellan. Enkelt uttryckt, detta innebär att kvantdatorer inte behöver utföra så många operationer för varje beräkning de utför.

Två frihetsgrader

Professor Jan-Åke Larsson och hans doktorand Niklas Johansson, i avdelningen för informationskodning vid Institutionen för elektroteknik, Linköpings universitet, har tagit tag i vad som händer i en kvantdator och varför den är kraftfullare än en klassisk dator. Deras resultat har publicerats i den vetenskapliga tidskriften Entropy.

"Vi har visat att den stora skillnaden är att kvantdatorer har två frihetsgrader för varje bit. Genom att simulera ytterligare en frihetsgrad i en klassisk dator, vi kan köra några av algoritmerna med samma hastighet som de skulle uppnå i en kvantdator, ”säger Jan-Åke Larsson.

De har konstruerat ett simuleringsverktyg, Quantum Simulation Logic, QSL, som gör det möjligt för dem att simulera driften av en kvantdator i en klassisk dator. Simuleringsverktyget innehåller ett, och bara en, egenskap som en kvantdator har som en klassisk dator inte har:en extra frihetsgrad för varje bit som ingår i beräkningen.

"Således, varje bit har två frihetsgrader:den kan jämföras med ett mekaniskt system där varje del har två frihetsgrader - position och hastighet. I detta fall, vi behandlar beräkningsbitar - som innehåller information om resultatet av funktionen, och fasbitar - som innehåller information om funktionens struktur, ”Förklarar Jan-Åke Larsson.

Kvantalgoritmer

De har använt simuleringsverktyget för att studera några av de kvantalgoritmer som hanterar funktionens struktur. Flera av algoritmerna körs lika snabbt i simuleringen som i en kvantdator.

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

Jan-Åke Larsson och hans medarbetare har också kompletterat sina teoretiska simuleringar med en fysisk version byggd med elektroniska komponenter. Portarna liknar de som används i kvantdatorer, och verktygssatsen simulerar hur en kvantdator fungerar. Med hjälp av eleverna, till exempel, kan simulera och förstå hur kvantkryptografi och kvantteleportation fungerar, och även några av de vanligaste kvantberäkningsalgoritmerna, såsom Shors algoritm för faktorisering. (Algoritmen fungerar i den nuvarande versionen av simuleringen men är lika snabb - eller långsam - som i klassiska datorer).