Forskare från CSC – IT-centrum för vetenskap, Aalto University och Åbo Akademi och deras medarbetare från Boston University i USA har för första gången visat hur bullret påverkar kvantberäkningen på ett systematiskt sätt. Resultaten publiceras i den prestigefyllda tidskriften Fysiska granskningsbrev .

I en klassisk dator, all data bryts ner till sekvenser av bitar som tar värdena noll och 1, och dessa två värden motsvarar "på" eller "av" tillstånd för de miljontals små elektroniska omkopplarna i datorns processorenhet och minne.

Enligt kvantmekanikens principer, begreppet bit kan generaliseras till en "qubit, " vars tillstånd kan vara både noll och ett samtidigt och på många olika sätt (en superposition). En kvantdator kan byggas med ett stort antal av dessa qubits, som måste programmeras med helt nya algoritmer och språk. En kvantdator kan i princip lösa problem som är praktiskt taget omöjliga att lösa på en klassisk dator — t.ex. designa nya molekyler eller material med önskade egenskaper genom beräkningar på atomär och elektronisk nivå (vilket i sig kräver användning av kvantmekanik).

Från att ha varit ett teoretiskt koncept som främst utforskats i universitetslaboratorier, kvantdatorer växer nu snabbt fram på den kommersiella scenen. De tillgängliga maskinerna är fortfarande till stor del experimentella, och används av företag och forskningsinstitutioner för att utforska potentiella tillämpningar och förbereda sig för den förväntade eran av "kvantöverhöghet" (vilket innebär att kvantdatorer blir kraftfullare än klassiska, åtminstone för vissa problem).

Qubits är mycket känsliga för buller

En stor utmaning är att qubitarna är mycket känsliga för brus som snabbt kan förstöra deras kvantöverlagringstillstånd. Även om enheterna kyls till bara en bråkdel av en grad över temperaturens absoluta nollpunkt för att minimera bullret från den termiska miljön, livstiden för superpositionstillstånden är fortfarande mycket kort, ofta mindre än en mikrosekund.

Med en typ av kvantdator producerad av det kanadensiska företaget D-Wave Systems, vissa optimeringsproblem kan lösas genom principen om kvantglödgning. Här ändras kvantegenskapen hos qubitarna gradvis på ett sådant sätt att de så småningom "kvantfrysar" till lösning av problemet som programmerats på enheten. Dock, denna process är känslig för brus på ett sätt som inte förstås väl.

Nu ett team av forskare från tre finska institutioner (CSC, Aalto universitet, och Abo Akademi University) och deras medarbetare från Boston University i USA har för första gången visat hur bullret påverkar en beräkning på ett systematiskt sätt. Genom att variera tiden under vilken kvantegenskapen för qubits ändras (från mikrosekunder till millisekunder) och studera olika antal kopplade qubits i en D-Wave-enhet, de kunde bekräfta en allmän princip om defektskapande (vilket betyder fel i beräkningen).

Enligt denna princip, en längre beräkningstid borde ge ett bättre resultat, men forskarna fann att bruset negativt påverkar resultaten mer om tiden är längre. De förklarade detta beteende med en matematisk modell, som kommer att vara ett användbart verktyg för att diagnostisera framtida kvantglödgningsanordningar och för att hitta de bästa sätten att använda dem.

Enligt teammedlem Anders Sandvik (Boston University), kvantglödgningsanordningar kan snart bli viktiga verktyg för att simulera materiens beteende, när mängden buller minskar ytterligare.

"Teamets framgångsrika arbete representerar den första stora finska forskningssatsningen på kvantglödgningsparadigmet för kvantberäkning, sa Jan Åström, teammedlem från CSC. "Kvantdatorn utvecklas snabbt, och CSC planerar ytterligare projekt för att främja uppbyggnaden av stark finsk kompetens inom detta kritiska framkantsområde för vetenskap och teknik."